14 go语言（golang） - 并发编程goroutine和channel

前言

并发编程是指在计算机程序中同时执行多个计算任务的技术。这种编程方式旨在利用多核处理器的计算能力，提高程序的执行效率和响应速度。而Go 语言的并发编程主要依赖于两个核心概念：Goroutine 和 Channel。

Goroutine

Goroutine 是 Go 语言中的一种轻量级线程管理机制。它是 Go 并发编程的核心特性之一，允许开发者以非常简单和高效的方式实现并发操作。

1、特点

  1. 轻量级：与传统的操作系统线程相比，goroutine 非常轻量。一个典型的 goroutine 只占用几 KB 的内存，而不是 MB 级别。这使得在同一时间可以运行成千上万个 goroutine，而不会对系统资源造成太大压力。

  2. 调度管理：Go 运行时包含了自己的调度器，用于管理 goroutines 的执行。这个调度器会将多个 goroutines 映射到少数几个 OS 线程上，从而有效地利用多核处理器。

  3. 简单启动：启动一个新的 goroutine 非常简单，只需要在函数调用前加上 go 关键字即可。

  4. 自动栈增长：goroutines 使用的是可增长的栈，这意味着它们开始时使用很小的内存，并根据需要动态扩展。这种特性进一步提高了其效率和灵活性。

  5. 与 Channel 配合使用：虽然 goroutines 可以独立工作，但通常会与 Channels 一起使用，以便在不同的 goroutines 间进行通信和同步。

2、示例

package main

import (
	"fmt"
	"testing"
)

func Test1(t *testing.T) {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go fmt.Printf("go线程 %d \n", i)
	}

	fmt.Println("主流程")
}

输出：

=== RUN   Test1
主流程
go线程 2 
go线程 3 
go线程 5 
--- PASS: Test1 (0.00s)
go线程 0 
go线程 7 
go线程 6 
go线程 8 
PASS
go线程 4

多执行几次发现会少了一些打印，如 1和9线程

改进：

func Test2(t *testing.T) {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go fmt.Printf("go线程 %d \n", i)
	}

	time.Sleep(1 * time.Second)
	fmt.Println("主流程")
}

输出：

=== RUN   Test2
go线程 9 
go线程 0 
go线程 1 
go线程 2 
go线程 3 
go线程 4 
go线程 7 
go线程 8 
go线程 5 
go线程 6 
主流程
--- PASS: Test2 (1.00s)
PASS

3、waitGroup

考虑如何优雅的等待子线程执行完成，而不是简单的让主线程等待，常用的方法是使用 sync.WaitGroup。WaitGroup 提供了一种简单而有效的方式来等待一组 goroutines 完成它们的工作，而不需要显式地让主线程休眠。它通过一个计数器来跟踪 goroutines 的数量。你可以增加或减少这个计数器，并且可以阻塞直到计数器变为零，这表示所有被跟踪的 goroutines 都已完成。

基本步骤

  1. 创建 WaitGroup 实例：在你的程序中创建一个 WaitGroup 实例。
  2. 增加计数：每启动一个新的 goroutine，就调用 Add(1) 来增加 WaitGroup 的计数。
  3. 标记完成：在每个 goroutine 内部，任务完成时调用 Done() 来减少 WaitGroup 的计数。
  4. 等待所有任务完成：在主线程中调用 Wait() 方法，它会阻塞直到所有被追踪的任务都标记为完成。
// 模拟工作的函数
func exec(num int, wg *sync.WaitGroup) {
	defer wg.Done() // 确保工作结束后通知 WaitGroup
	go fmt.Printf("go线程 %d \n", num)
}

func Test3(t *testing.T) {
	group := sync.WaitGroup{}

	// 启动多个goroutine并使用WaitGroup追踪它们
	for i := 0; i < 10; i++ {
		group.Add(1) // 增加WaitGroup计数
		go exec(i, &group)
	}

	group.Wait() // // 阻塞主线程，直到所有线程都执行完毕

	fmt.Println("主流程")
}

注意事项

  • 确保 Done 调用：始终确保每个启动的 goroutine 在其逻辑结束时调用了 Done() 方法。这通常通过使用关键字 defer 来实现，以确保即使发生错误也能正确递减。
  • 避免重复 Add 和 Done 操作：不要对同一组操作多次进行 Add 或 Done 调用，否则可能导致不一致状态和死锁。

Channel

在 Go 语言中，Channel 是一种用于 goroutine 之间进行通信的机制。它可以让一个 goroutine 发送特定类型的值到 Channel 中，然后另一个 goroutine 从该 Channel 接收值，从而实现数据的安全传递和同步。

1、基本特性

  1. 类型化：Channel 是类型化的，这意味着你需要指定要传输的数据类型。
  2. 阻塞行为：
    • 发送阻塞：当一个 goroutine 向 Channel 发送数据时，如果没有其他 goroutine 正在等待接收这个数据，那么发送操作会被阻塞，直到有接收者。
    • 接收阻塞：同样地，当一个 goroutine 尝试从 Channel 接收数据时，如果没有其他 goroutine 正在向这个 Channel 发送数据，那么接收操作会被阻塞，直到有新的数据可用。
  3. 方向性：Channel 可以是双向的，也可以是单向（只读或只写）的。

2、创建和使用 Channel

func Test4(t *testing.T) {
	ch := make(chan int)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go send(i, ch)
	}

	for i := 0; i < 10; i++ {
		value := <-ch
		fmt.Printf("接受到消息：%d\n", value)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

func send(i int, ch chan int) {
	fmt.Printf("-- 准备发送：%d\n", i)
	ch <- i
	fmt.Printf("-- 发送成功！%d\n", i) // 这行打印会被阻塞
}

输出：

=== RUN   Test4
-- 准备发送：9
-- 发送成功！9
接受到消息：9
-- 准备发送：2
-- 准备发送：6
-- 准备发送：1
-- 准备发送：8
-- 准备发送：3
-- 准备发送：4
-- 准备发送：5
-- 准备发送：0
-- 准备发送：7
接受到消息：2
-- 发送成功！2
接受到消息：6
-- 发送成功！6
接受到消息：1
-- 发送成功！1
接受到消息：8
-- 发送成功！8
接受到消息：3
-- 发送成功！3
接受到消息：4
-- 发送成功！4
接受到消息：5
-- 发送成功！5
接受到消息：0
-- 发送成功！0
接受到消息：7
-- 发送成功！7
--- PASS: Test4 (10.01s)
PASS

3、带缓冲区的 Channel

带缓冲区的 Channels 可以存储一定数量的数据，而不会立即导致 sender 或 receiver 被阻塞。创建带缓冲区 Channels 时，可以指定其容量。

func Test5(t *testing.T) {
  
	ch := make(chan int, 5)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go send(i, ch)
	}

	for i := 0; i < 10; i++ {
		value := <-ch
		fmt.Printf("接受到消息：%d\n", value)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

输出：

=== RUN   Test5
-- 准备发送：9
-- 发送成功！9
接受到消息：9
-- 准备发送：0
-- 发送成功！0
-- 准备发送：1
-- 发送成功！1
-- 准备发送：2
-- 发送成功！2
-- 准备发送：3
-- 发送成功！3
-- 准备发送：7
-- 发送成功！7
-- 准备发送：8
-- 准备发送：6
-- 准备发送：4
-- 准备发送：5
接受到消息：0
-- 发送成功！8
接受到消息：1
-- 发送成功！6
接受到消息：2
-- 发送成功！4
接受到消息：3
-- 发送成功！5
接受到消息：7
接受到消息：8
接受到消息：6
接受到消息：4
接受到消息：5
--- PASS: Test5 (10.01s)
PASS

长度（Length）

  • 定义：Channel 的长度是指当前 Channel 中已存储的数据元素的数量。
  • 获取方式：可以使用内置函数 len(ch) 来获取 Channel 的当前长度。

容量（Capacity）

  • 定义：Channel 的容量是指它最多可以容纳多少个数据元素。对于无缓冲的 channel，容量为零；对于带缓冲的 channel，容量是在创建时指定的。
  • 获取方式：可以使用内置函数 cap(ch) 来获取 Channel 的总容量。
func TestChannelCapAndLen(t *testing.T) {
	ch := make(chan string, 3)
	ch <- "a"
	ch <- "b"
	fmt.Println("容量为：", cap(ch))
	fmt.Println("长度为：", len(ch))
	fmt.Println("读取一个元素：", <-ch)
	fmt.Println("新的长度为：", len(ch))
}

输出：

=== RUN   TestChannelCapAndLen
容量为： 3
长度为： 2
读取一个元素： a
新的长度为： 1
--- PASS: Test9 (0.00s)
PASS

4、单向 Channel

单向 Channel 用于限制函数对 channel 的访问权限，只能用于 send 或 receive 操作。这种限制可以帮助避免错误地使用 channel。

func sendOnly(i int, ch chan<- int) {
	fmt.Printf("-- 准备发送：%d\n", i)
	ch <- i
	fmt.Printf("-- 发送成功！%d\n", i)
}

func receiveOnly(ch <-chan int) {
	value := <-ch
	fmt.Printf("接受到消息：%d\n", value)
	time.Sleep(time.Second)
}

func Test6(t *testing.T) {
	ch := make(chan int)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go sendOnly(i, ch)
	}

	for i := 0; i < 10; i++ {
		receiveOnly(ch)
	}
}

5、关闭Channel

如果channel没有关闭，消费者仍然在等待数据，则可能导致死锁

func Test7(t *testing.T) {
	ch := make(chan int)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go sendOnly(i, ch)
	}

	// 消费者仍然在等待数据，则可能导致死锁
	for value := range ch {
		fmt.Printf("接受到消息：%d\n", value)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

报错：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan receive]:
testing.(*T).Run(0xc00010c4e0, {0x3d35a17?, 0x125836780012db50?}, 0x3da35f0)
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:1751 +0x3ab
testing.runTests.func1(0xc00010c4e0)
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:2168 +0x37
testing.tRunner(0xc00010c4e0, 0xc00012dc70)
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:1690 +0xf4
testing.runTests(0xc000010030, {0x3e7cbe0, 0x9, 0x9}, {0x3c86030?, 0x3c85c9a?, 0x0?})
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:2166 +0x43d
testing.(*M).Run(0xc00007a0a0)
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:2034 +0x64a
main.main()
	_testmain.go:61 +0x9b

goroutine 5 [chan receive]:
awesomeProject/_28goroutine.Test7(0xc00010c680?)
	/Users/fangyirui/GolandProjects/awesomeProject/_28goroutine/1_test.go:114 +0x105
testing.tRunner(0xc00010c680, 0x3da35f0)
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:1690 +0xf4
created by testing.(*T).Run in goroutine 1
	/Users/fangyirui/sdk/go1.23.2/src/testing/testing.go:1743 +0x390

关闭 Channel 是一个重要的操作，它通知接收者不会再有新的数据发送到这个 Channel 上。

  1. 通知完成：通过关闭一个 Channel，可以向接收者表明没有更多的数据会被发送。这对于需要知道何时停止读取数据的消费者来说非常有用。
  2. 避免死锁：如果所有发送者都退出了，而消费者仍然在等待数据，则可能导致死锁。通过显式地关闭 Channel，可以避免这种情况。

改进：使用内置函数 close 来关闭一个 channel

func sendOnlyV2(i int, ch chan<- int, wg *sync.WaitGroup) {
	fmt.Printf("-- 准备发送：%d\n", i)
	ch <- i
	fmt.Printf("-- 发送成功！%d\n", i)
	wg.Done()
}

func Test8(t *testing.T) {
	wg := sync.WaitGroup{}
	ch := make(chan int)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go sendOnlyV2(i, ch, &wg)
	}

	// 启动另一个goroutine来等待所有send操作完成后再关闭channel，不然channel关闭后还没发送完数据会报错
	go func() {
		wg.Wait()
		// 发送完毕，关闭channel
		close(ch)
		fmt.Println("channel 已经关闭")
	}()

	for value := range ch {
		fmt.Printf("接受到消息：%d\n", value)
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

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