【Go专家编程——并发控制——三剑客】

并发控制

我们考虑这么一种场景，协程在A执行过程中需要创建子协程A1、A2、A3…An，协程创建完子协程后就等待子协程退出。

针对这种场景，Go提供了三种解决方案：

  • Channel：使用channel控制子协程
    • 优点：实现简单
  • WaitGroup：使用信号量机制控制子协程
    • 优点：子协程个数动态可调整
  • Context：使用上下文控制子协程
    • 优点：方便控制子协程派生出的孙子协程的控制

1. Channel

channel一般用于协程之间的通信，不过channel也可以用于并发控制。比如主协程启动N个子协程，主协程等待所有子协程退出后再继续后续流程。

场景示例：
下面的程序通过创建N个channel来管理N个协程，每个协程都有一个channel用于与父协程通信，父协程创建完所有协程后等待所有协程结束。

package main

import(
	"time"
	"fmt"
)

func Process(ch chan int) {
	// Do some work...
	time.Sleep(time.Second)
	ch <- 1 //在管道中写入一个元素表示当前协程已结束
}

func main(){
	// 创建一个10个元素的切片,元素类型为channel
	channels := make([]chan int,10)

	for i:=0;i<10;i++{
		channels[i] = make(chan int)//在切片中放入一个channel
		go Process(channels[i])//启动协程，传入一个管道用于通信
	}

	for i,ch := range channels{//遍历子协程结束
		<-ch
		fmt.Println("Routine",i," quit!")
	}
}

小结

优点：实现简单
缺点：需要创建与协程数量相等的channel，且对于子孙协程的控制不方便

2.WaitGroup

WaitGroup可以理解为Wait-Goroutine-Group，即等待一组goroutine结束。比如某个goroutine需要等待其他几个goroutine全部完成，那么使用WaitGroup可以轻松实现。

场景示例：

func main(){
	var wg sync.WaitGroup
	
	wg.Add(2)//设置计数器，数值即goroutine的个数
	go func(){
		//Do some work
		time.Sleep(1*time.Second)
		fmt.Println("Goroutine 1 finished!")
		wg.Done() //goroutine 执行结束后将计数器减1
	}()
	go func(){
		//Do some work
		time.Sleep(1*time.Second)
		fmt.Println("Goroutine 2 finished!")
		wg.Done() //goroutine 执行结束后将计数器减1
	}()
	wg.Wait() // 主goroutine阻塞等待计数器变为0
	fmt.Println("All Goroutine finished!")
}

2.1 基础知识

信号量是Unix系统提供的一种共享保护资源的机制，用于防止多个线程同时访问某个资源

  • 当信号量>0时，表示资源可用，获取信号量时系统自动将信号量减1
  • 当信号量==0时，表示资源不可用，获取信号量时，当前线程会进入睡眠，当信号量为正时被唤醒

2.2 WaitGroup

2.2.1 数据结构

type WaitGroup struct{
	state1 [3]uint32
}

state1 是一个长度为3的数组，包含state和一个信号量，而state实际上又分为两个计数器。

  • counter：当前还未执行结束的goroutine的计数器
  • waiter count：等待goroutine-group结束的goroutine数量，即又多少个等候者
  • semaphore：信号量

WaitGroup对外暴露三个方法

  • Add(delta int)：将delta值加到counter中
  • Wait()：waiter递增1，并阻塞等待信号量semaphore
  • Done()：counter递减1，按照waiter数值释放相应次数信号量

2.2.2 Add(delta int)

Add方法做了两件事：

  1. 把delta值累加到counter中，因为delta可以为负值，也就是锁counter有可能变成0或负值
  2. 当counter变为0时，根据waiter数值释放等量信号量，把等待的goroutine全部唤醒，如果counter变为负值，则触发panic

2.2.3 Wait()

Wait方法做了两件事：

  1. 累加waiter
  2. 阻塞等待信号量

使用了CAS算法保证了多个goroutine同时执行Wait方法是也能正确累加waiter

2.2.4 Done()

Done方法只做一件事，即把counter减1，Done方法实际上调用的是Add(-1)。

3.Context

Go语言的context是应用开发常用的并发控制技术，对于派生goroutine有更强的控制力，可以控制多级的goroutine。

3.1 context的接口定义

type Context interface {
	Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
	Done() <-chan struct{}
	Err() error
	Value(key interface{}) interface{}
}

基础的context接口只定义了4个方法

  • Deadline：返回一个deadline和标识是否已设置deadline的bool值，如果没有设置deadline，则ok=false，此时deadline为一个初始值的time.Time值
  • Done：该方法返回一个用来探测Context是否取消的channel，当Context取消时会自动将该channel关闭
    • 对于不支持取消的Context，该方法可能会返回nil
  • Err：返回context关闭的原因，若context还未关闭，返回nil
  • Value：
    • 适用于在协程中传递信息
    • 根据key值查询map中的value

3.2 空context

context包中定义了一个空的context，名为emptyCtx，用于context的根节点。
同时定义了一个公用的emptyCtx全局变量，名为background，可以使用context.Background()获取

context包中提供了四个方法创建不同类型的context，使用这四个方法时如果没有父节点context，需要传入background作为其父节点。

  • WithCancel()
  • WithDeadline()
  • WithTimeout()
  • WithValue()

3.3 cancelCtx

type cancelCtx struct{
	Context
	mu	sync.Mutex
	done	chan struct{}//lazily初始化
	//记录由此context派生出的所有child
	//此context被取消时会将其child全部cancel
	children	map[canceler]struct{}
	err	error
}

2.3.1 Done方法的实现

Done方法只需要返回一个channel接即可
源码如下：

func (c *cancelCtx) Done() <-chan struct{}{
	c.mu.Lock()
	if c.done == nil{
		c.done = make(chan struct{})
	}
	d := c.done
	c.mu.Lock()
	return d
}

2.3.2 Err方法的实现

Err()只需要返回一个error告知context被关闭的原理。
cancelCtx.err默认是nil，在context被”cancel“时指定一个error变量：
var Canceled = errors.New("context canceled")

func(c *cancelCtx) Err() error{
	c.mu.Lock()
	err := c.err
	c.mu.Unlock()
	return err
}

2.3.3 cancel方法的实现

cancel方法是理解cancelCtx的关键，其作用是关闭自己和其后代。
伪代码如下：

func(c *cancelCtx) cancel(removeFromParent bool,err error){
	c.mu.Lock()
	
	c.err = err	//设置一个error，说明关闭原因
	close(c.done)	//将channel关闭，依次通知派生的context

	for child := range c.children{//遍历child，调用cancel方法
		child.cancel(false,err)	
	}
	c.children = nil
	c.mu.Unlock()
	if removeFromParent{
		//正常情况下，需要将自己从parent中删除
		removeChild(c.Context, c)
	}
}

2.3.4 WithCancel方法的实现

WithCancel()方法做了三件事

  • 初始化一个cancelCtx实例
  • 将cancelCtx实例添加到其父节点的children中（如果父节点也可以被cancel）
  • 返回cancelCtx实例和cancel方法

其实现源码如下：

func WithCancel(parent Context)(ctx Context,cancel CancelFunc){
	c:= newCancelCtx(parent)
	//将自身添加到支持cancel的祖先节点中，如果都不支持，则启动一个协程等待父节点结束，然后把当前context结束。
	propagateCancel(parent, &c)
	return &c, func(){c.cancel(true, Canceled)}
}

2.3.5 使用案例

func HandelRequest(ctx context.Context) {
	go WriteRedis(ctx)
	go WriteDatabase(ctx)
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("HandelRequest Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("HandelRequest running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func WriteRedis(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("WriteRedis Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("WriteRedis running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func WriteDatabase(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("WriteDatabase Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("WriteDatabase running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func main() {
	ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())
	go HandelRequest(ctx)

	time.Sleep(5 * time.Second)
	fmt.Println("It's time to stop all sub goroutines")
	cancel()
	// Just for test whether sub goroutines exit or not
	time.Sleep(5 * time.Second)
}

main协程创建context，并把context在各个子协程间传递，main协程在适当的时机可以"cancel"所有子协程。
在这里插入图片描述

3.4 timerCtx

源码如下：

type timerCtx struct{
	cancelCtx
	timer *time.Timer
	deadline time.Time
}

timerCtx在cancel的基础上增加了deadline，用于标示自动cancel的最终时间，而timer就上触发自动cancel的定时器。
在此基础上衍生出了WithDeadline()和WithTimeout()

  • deadline：指定最后期限
  • timeout：指定最长存活时间

3.4.1 Deadline方法的实现

该方法仅仅返回timerCtx.deadline而已。

3.4.2 cancel方法的实现

cancel()方法基本继承了cancelCtx，只需要额外把timer关闭
timerCtx被关闭后，timerCtx.cancelCtx.err将存储关闭原因：

  • 如果在deadline到来之前手动关闭，则关闭原因与cancelCtx显示一致
  • 如果是到期自动关闭，原因为context deadline exceeded

3.4.3 WithDeadline方法的实现

  • 初始化一个timerCtx实例
  • 将timerCtx实例添加到其父节点的children中(如果父节点可以被“cancel”)
  • 启动定时器，定时器到期后会自动"cancel"本context
  • 返回timerCtx实例和cancel方法

3.4.4 WithTimeout方法的实现

WithTimeout()实际上调用了WithDeadline，两者的实现原理一致。

func WithTimeout(parent Context,timeout time.Duration)(Context,CancelFunc){
	return WithDeadline(parent,time.Now().Add(timeout))
}

3.4.5 典型使用案例

func HandelRequest(ctx context.Context) {
	go WriteRedis(ctx)
	go WriteDatabase(ctx)
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("HandelRequest Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("HandelRequest running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func WriteRedis(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("WriteRedis Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("WriteRedis running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func WriteDatabase(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("WriteDatabase Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("WriteDatabase running")
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}

func main() {
	ctx, _ := context.WithTimeout(context.Background(),5*time.Second)
	go HandelRequest(ctx)

	time.Sleep(10 * time.Second)
}

3.5 valueCtx

源码如下：

type valueCtx struct{
	Context
	key,value interface{}
}

valueCtx只是在Context基础上增加了一个key-value对，用于在各级协程间传递一些数据，由于valueCtx不需要cancel，也不需要deadline，那么只需要实现Value接口即可。

3.5.1 Value方法的实现

当前context查询不到key时，会向父节点查找，如果查询不到最终返回interface{}

func(c *valueCtx) Value(key interface{}) interface{}{
	if c.key == key{
		return c.val
	}
	return c.Context.Value(key)
}

3.5.2 WithValue方法的实现

伪代码如下：

func WithValue(parent Context,key,val interface{})Context{
	if key == nil {
		panic("nil key")
	}
	return &valueCtx{parent,key,val}
}

3.5.3 典型使用案例

该案例中main()通过WithValue()方法获得一个context，需要指定一个父context、key和value。contextkey用来在父子协程中传递信息。由于父节点是一个Timeout类型的，当父节点结束后，子节点也会结束。

func HandelRequest(ctx context.Context) {
	for {
		select {
		case <-ctx.Done():
			fmt.Println("HandelRequest Done.")
			return
		default:
			fmt.Println("HandelRequest running,parameter：",ctx.Value("parameter"))
			time.Sleep(2 * time.Second)
		}
	}
}


func main() {
	cancelCtx, _ := context.WithTimeout(context.Background(), 10*time.Second)
	ctx := context.WithValue(cancelCtx, "parameter", "1")
	go HandelRequest(ctx)

	time.Sleep(15 * time.Second)
}

在这里插入图片描述

4. 小结

三种context实例可以互为父节点，从而可以组合成不同的应用形式。

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