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Go语言并发简述(并发的优势)

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有人把Go语言比作 21 世纪的C语言,第一是因为Go语言设计简单,第二则是因为 21 世纪最重要的就是并发程序设计,而 Go 从语言层面就支持并发。同时实现了自动垃圾回收机制。

Go语言的并发机制运用起来非常简便,在启动并发的方式上直接添加了语言级的关键字就可以实现,和其他编程语言相比更加轻量。

下面来介绍几个概念:

进程/线程

进程是程序在操作系统中的一次执行过程,系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程是进程的一个执行实体,是 CPU 调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

一个进程可以创建和撤销多个线程,同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

并发/并行

多线程程序在单核心的 cpu 上运行,称为并发;多线程程序在多核心的 cpu 上运行,称为并行。

并发与并行并不相同,并发主要由切换时间片来实现“同时”运行,并行则是直接利用多核实现多线程的运行,Go程序可以设置使用核心数,以发挥多核计算机的能力。

协程/线程

协程:独立的栈空间,共享堆空间,调度由用户自己控制,本质上有点类似于用户级线程,这些用户级线程的调度也是自己实现的。

线程:一个线程上可以跑多个协程,协程是轻量级的线程。

优雅的并发编程范式,完善的并发支持,出色的并发性能是Go语言区别于其他语言的一大特色。使用Go语言开发服务器程序时,就需要对它的并发机制有深入的了解。

Goroutine 介绍

goroutine 是一种非常轻量级的实现,可在单个进程里执行成千上万的并发任务,它是Go语言并发设计的核心。

说到底 goroutine 其实就是线程,但是它比线程更小,十几个 goroutine 可能体现在底层就是五六个线程,而且Go语言内部也实现了 goroutine 之间的内存共享。

使用 go 关键字就可以创建 goroutine,将 go 声明放到一个需调用的函数之前,在相同地址空间调用运行这个函数,这样该函数执行时便会作为一个独立的并发线程,这种线程在Go语言中则被称为 goroutine。

goroutine 的用法如下:
//go 关键字放在方法调用前新建一个 goroutine 并执行方法体
go GetThingDone(param1, param2);

//新建一个匿名方法并执行
go func(param1, param2) {
}(val1, val2)

//直接新建一个 goroutine 并在 goroutine 中执行代码块
go {
    //do someting...
}
因为 goroutine 在多核 cpu 环境下是并行的,如果代码块在多个 goroutine 中执行,那么我们就实现了代码的并行。

如果需要了解程序的执行情况,怎么拿到并行的结果呢?需要配合使用channel进行。

channel

channel 是Go语言在语言级别提供的 goroutine 间的通信方式。我们可以使用 channel 在两个或多个 goroutine 之间传递消息。

channel 是进程内的通信方式,因此通过 channel 传递对象的过程和调用函数时的参数传递行为比较一致,比如也可以传递指针等。如果需要跨进程通信,我们建议用分布式系统的方法来解决,比如使用 Socket 或者 HTTP 等通信协议。Go语言对于网络方面也有非常完善的支持。

channel 是类型相关的,也就是说,一个 channel 只能传递一种类型的值,这个类型需要在声明 channel 时指定。如果对 Unix 管道有所了解的话,就不难理解 channel,可以将其认为是一种类型安全的管道。

定义一个 channel 时,也需要定义发送到 channel 的值的类型,注意,必须使用 make 创建 channel,代码如下所示:
ci := make(chan int)
cs := make(chan string)
cf := make(chan interface{})
回到在 Windows 和 Linux 出现之前的古老年代,在开发程序时并没有并发的概念,因为命令式程序设计语言是以串行为基础的,程序会顺序执行每一条指令,整个程序只有一个执行上下文,即一个调用栈,一个堆。

并发则意味着程序在运行时有多个执行上下文,对应着多个调用栈。我们知道每一个进程在运行时,都有自己的调用栈和堆,有一个完整的上下文,而操作系统在调度进程的时候,会保存被调度进程的上下文环境,等该进程获得时间片后,再恢复该进程的上下文到系统中。

从整个操作系统层面来说,多个进程是可以并发的,那么并发的价值何在?下面我们先看以下几种场景。

1) 一方面我们需要灵敏响应的图形用户界面,一方面程序还需要执行大量的运算或者 IO 密集操作,而我们需要让界面响应与运算同时执行。

2) 当我们的 Web 服务器面对大量用户请求时,需要有更多的“Web 服务器工作单元”来分别响应用户。

3) 我们的事务处于分布式环境上,相同的工作单元在不同的计算机上处理着被分片的数据,计算机的 CPU 从单内核(core)向多内核发展,而我们的程序都是串行的,计算机硬件的能力没有得到发挥。

4) 我们的程序因为 IO 操作被阻塞,整个程序处于停滞状态,其他 IO 无关的任务无法执行。

从以上几个例子可以看到,串行程序在很多场景下无法满足我们的要求。下面我们归纳了并发程序的几条优点,让大家认识到并发势在必行:
  • 并发能更客观地表现问题模型;
  • 并发可以充分利用 CPU 核心的优势,提高程序的执行效率;
  • 并发能充分利用 CPU 与其他硬件设备固有的异步性。
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