Go 并发编程

概述

简而言之，所谓并发编程是指在一台处理器上“同时”处理多个任务。

• 宏观的并发：是指在一段时间内，有多个程序在同时运行。

• 微观的并发：是指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个程序指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但是在微观上并不是同时执行的，只是把时间分为若干段，使多个程序快速交替的执行。

并行和并发

• 并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行

并行.jpg

• 并发(concurrency)：通过 cpu 时间片轮转使多个进程快速交替的执行。

并发.jpg

• 以咖啡机的例子来解释并行和并发的区别：

并行与并发.jpg

• 并行是两个队列同时使用两台咖啡机（真正的多任务）
• 并发是两个队列交替使用一台咖啡机（假的多任务）

常见的并发编程技术

进程并发

程序与进程

• 程序：是指编译好的二进制文件，在磁盘上，占用磁盘空间，不占用系统资源(cpu、锁…)。

• 进程：运行起来的程序。占用系统资源。

把程序比作剧本，进程比作戏(舞台、演员…)，同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)。

如：同时开两个终端。各自都有一个 bash 但彼此 ID 不同。

在 windows 系统下，通过查看“任务管理器”，可以查看相应的进程。运行起来的程序就是一个进程。

进程状态

进程基本的状态有 5 种：初始态、就绪态、运行态、挂起态与终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看

进程状态.jpg

进程并发会出现的问题

1. 系统开销比较大，占用资源比较多，开启进程数量比较少。
2. 在 unix/linux 系统下，还会产生孤儿进程和僵尸进程。

在 unix/linux 系统中，正常情况下，子进程是通过父进程 fork 创建的，子进程再创建新的进程。并且父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束。当一个进程完成他的工作终止之后，它的父进程需要调用系统调用子进程的终止状态。

windows 下的进程和 Linux 下的进程是不一样的，它比较懒惰，从来不执行任何东西，只是为线程提供执行环境。然后由线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。当创建一个进程的时候，操作系统会自动创建这个进程的第一个线程，成为主线程。

• 孤儿进程：父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，自进程的父进程成为 init 进程，称为init 进程领养孤儿进程。

• 僵尸进程：进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源(PCB)存放于内核中，变成僵尸(Zombie)进程。

线程并发

什么是线程

• LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程（Linux下）
• 进程：独立地址空间，拥有 PCB
• 线程：有独立的 PCB，但没有独立的地址空间（共享）
• 区别：在于是否共享地址空间。独居（进程）；合租（线程）
  • 线程：最小的执行单位
  • 进程：最小的分配资源单位，可看成是一个现成的进程。

进程和线程.png

在 Windows 系统下，可以直接忽略进程的概念，只谈线程。因为线程是最小的执行单位，是被系统独立调度和分派的基本单位。而进程只是给线程提供执行环境。

线程同步

同步即协同步调，按预约的先后次序运行。

线程同步，只一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其他线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

• 举例1：银行存款 5000。同一时刻，柜台存折取3000，提款机用卡取3000.剩余：2000。

产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

同步的目的是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

因此，所有多个控制流，共同操作一个共享资源的情况，都需要同步。

线程同步机制 - 锁的应用

• 互斥锁 mutex（也称之为互斥量）。每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。但是同一时刻，只能有一个线程持有该锁，没有拿到锁的线程，阻塞等待。等到拿到锁的线程释放锁。

互斥锁.png

• 读写锁：与互斥锁类似，但读写锁允许更高的并行性。其特征为：写独占，读共享。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高。

  • 读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占，读共享。

协程并发

协程：coroutine。也叫轻量级线程。

一个线程中可以有任意多个协程，但某一时刻只能有一个协程在运行，多个协程分享该线程分配到的计算机资源。

在协程中，调用一个任务就像调用一个函数一样，消耗的系统资源最少，但能达到进程、线程并发相同的结果。

在一次并发任务中，进程、线程、协程可以实现。从系统资源消耗的角度出发来看，进程相当多，线程次之，协程最少。

比较

进程、线程、协程都可以完成并发。进程稳定性强、线程节省资源、协程效率高。

Go 并发

Go 在语言级别支持协程，叫 goroutine。Go语言标准库提供的所有系统调用操作（包括所有同步的 IO 操作），都会出让 CPU 给其他 goroutine。这让轻量级线程的切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不需要依赖于 CPU 的核心数量。

Go 从语言层面就支持并行。同时，并发程序的内存管理有时候是非常复杂的，而 Go 语言提供了自动垃圾回收机制。

Go 语言为并发编程而内置的上层 API 基于顺序通信进程模型 CSP(communicating sequential process)。这就意味着显示锁是都可以避免的，因为 Go 通过相对安全的通道发送和接收数据以实现同步，这大大的简化了并发程序的编写。

Go 语言中的并发程序主要使用两种手段来实现：goroutine 和 channel。