Go基础语法（九）

Go语言并发

Go 是并发式语言，而不是并行式语言。

并发是指立即处理多个任务的能力。

Go 编程语言原生支持并发。
Go 使用 Go 协程（Goroutine） 和信道（Channel）来处理并发。

Go 协程

Go 协程是与其他函数或方法一起并发运行的函数或方法。
Go 协程可以看作是轻量级线程。
与线程相比，创建一个 Go 协程的成本很小。
因此在 Go 应用中，常常会看到有数以千计的 Go 协程并发地运行。

优势

Go 协程相比于线程的优势：

• Go 协程的成本极低，堆栈大小只有若干 kb，且可以根据应用的需求进行增减。而线程必须指定堆栈的大小，其堆栈是固定不变的。
• Go 协程会复用数量更少的 OS 线程。即使程序有数以千计的 Go 协程，也可能只有一个线程。如果该线程中的某一 Go 协程发生了阻塞（比如说等待用户输入），那么系统会再创建一个 OS 线程，并把其余 Go 协程都移动到这个新的 OS 线程。所有这一切都在运行时进行，程序员没有直接面临这些复杂的细节，而是有一个简洁的 API 来处理并发。
• Go 协程使用信道（Channel）来进行通信。信道用于防止多个协程访问共享内存时发生竞态条件（Race Condition）。信道可以看作是 Go 协程之间通信的管道。

启动一个 Go 协程

调用函数或者方法时，在前面加上关键字 go，可以让一个新的 Go 协程并发地运行

package main

import (
    "fmt"
)

func hello() {
    fmt.Println("Hello world goroutine")
}
func main() {
    go hello()
    fmt.Println("main function")
}

解释代码：go hello() 启动了一个新的 Go 协程。现在 hello() 函数与 main() 函数会并发地执行。
主函数会运行在一个特有的 Go 协程上，它称为 Go 主协程（Main Goroutine）。

执行上边代码，你会发现程序只是打印出了main function 而未打印hello函数中的内容。这是因为：

• 启动一个新的协程时，协程的调用会立即返回。与函数不同，程序控制不会去等待 Go 协程执行完毕。在调用 Go 协程之后，程序控制会立即返回到代码的下一行，忽略该协程的任何返回值。

• 如果希望运行其他 Go 协程，Go 主协程必须继续运行着。如果 Go 主协程终止，则程序终止，于是其他 Go 协程也不会继续运行。

增加一行代码延迟结束主协程：

time.Sleep(1 * time.Second)

这只是用于测试可以这样写，事实上后边我们会使用信道解决这个问题。

为了更好地理解 Go 协程，我们再编写一个程序，启动多个 Go 协程。

package main

import (  
    "fmt"
    "time"
)

func numbers() {  
    for i := 1; i <= 5; i++ {
        time.Sleep(250 * time.Millisecond)
        fmt.Printf("%d ", i)
    }
}
func alphabets() {  
    for i := 'a'; i <= 'e'; i++ {
        time.Sleep(400 * time.Millisecond)
        fmt.Printf("%c ", i)
    }
}
func main() {  
    go numbers()
    go alphabets()
    time.Sleep(3000 * time.Millisecond)
    fmt.Println("main terminated")
}

解释代码：

1. 启动了两个 Go 协程。现在，这两个协程并发地运行。
2. numbers 协程首先休眠 250 微秒，接着打印 1，然后再次休眠，打印 2，依此类推，一直到打印 5 结束。
3. alphabete 协程同样打印从 a 到 e 的字母，并且每次有 400 微秒的休眠时间。
4. Go 主协程启动了 numbers 和 alphabete 两个 Go 协程，休眠了 3000 微秒后终止程序。

来张图更加清晰的看协程之间相互关系：

image.png

蓝色的图表示 numbers 协程，
褐红色的图表示 alphabets 协程，
绿色的图表示 Go 主协程，
黑色的图把以上三种协程合并了，表明程序是如何运行的。

信道

信道：信道可以想像成 Go 协程之间通信的管道。如同管道中的水会从一端流到另一端，通过使用信道，数据也可以从一端发送，在另一端接收。

信道声明：所有信道都关联了一个类型。信道只能运输这种类型的数据，而运输其他类型的数据都是非法的。

chan T 表示 T类型的信道。
信道的零值为 nil

信道的零值没有什么用，应该像对 map 和切片所做的那样，用 make 来定义信道。

package main

import "fmt"

func main() {  
    var a chan int
    if a == nil {
        fmt.Println("channel a is nil, going to define it")
        a = make(chan int)
        fmt.Printf("Type of a is %T", a)
    }
}

简短声明通常也是一种定义信道的简洁有效的方法:

a := make(chan int)

通过信道进行发送和接收

data := <- a // 读取信道 a  
a <- data // 写入信道 a

在第一行，箭头对于 a 来说是向外指的，因此我们读取了信道 a 的值，并把该值存储到变量 data。

在第二行，箭头指向了 a，因此我们在把数据写入信道 a。

发送与接收默认是阻塞的

• 当把数据发送到信道时，程序控制会在发送数据的语句处发生阻塞，直到有其它 Go 协程从信道读取到数据，才会解除阻塞。
• 当读取信道的数据时，如果没有其它的协程把数据写入到这个信道，那么读取过程就会一直阻塞着。

信道的这种特性能够帮助 Go 协程之间进行高效的通信，不需要用到其他编程语言常见的显式锁或条件变量。

代码示例：

package main

import (  
    "fmt"
)

func hello(done chan bool) {  
    fmt.Println("Hello world goroutine")
    done <- true
}
func main() {  
    done := make(chan bool)
    go hello(done)
    <-done
    fmt.Println("main function")
}

解释代码：

1. 创建了一个 bool 类型的信道 done，并把 done 作为参数传递给了 hello 协程
2. <-done 这行代码通过信道 done 接收数据，但并没有使用数据或者把数据存储到变量中。这完全是合法的。我们通过信道 done 接收数据。这一行代码发生了阻塞，除非有协程向 done 写入数据，否则程序不会跳到下一行代码。
3. 现在我们的 Go 主协程发生了阻塞，等待信道 done 发送的数据。

写个demo示例，需求：定义一个整数，该程序会计算一个数中每一位的平方和与立方和，然后把平方和与立方和相加并打印出来。

构建程序：

• 一个单独的 Go 协程计算平方和
• 一个协程计算立方和，
• 在 Go 主协程把平方和与立方和相加。

package main

import (  
    "fmt"
)

func calcSquares(number int, squareop chan int) {  
    sum := 0
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        sum += digit * digit
        number /= 10
    }
    squareop <- sum
}

func calcCubes(number int, cubeop chan int) {  
    sum := 0 
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        sum += digit * digit * digit
        number /= 10
    }
    cubeop <- sum
} 

func main() {  
    number := 589
    sqrch := make(chan int)
    cubech := make(chan int)
    go calcSquares(number, sqrch)
    go calcCubes(number, cubech)
    squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
    fmt.Println("Final output", squares + cubes)
}

死锁

当 Go 协程给一个信道发送数据时，照理说会有其他 Go 协程来接收数据。如果没有的话，程序就会在运行时触发 panic，形成死锁。同样的反之亦然。

package main

func main() {  
    ch := make(chan int)
    ch <- 5
}

这段代码就会触发 panic :

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:  
main.main()  
    /tmp/sandbox249677995/main.go:6 +0x80

单向信道

之前介绍的信道都是双向信道，即通过信道既能发送数据，又能接收数据。

其实也可以创建单向信道，这种信道只能发送或者接收数据。
代码：

package main

import "fmt"

func sendData(sendch chan<- int) {  
    sendch <- 10
}

func main() {  
    sendch := make(chan<- int)
    go sendData(sendch)
    fmt.Println(<-sendch)  
}

创建了唯送（Send Only）信道 sendch。chan<- int 定义了唯送信道，因为箭头指向了 chan。 fmt.Println(<-sendch) 编译器会报错。

信道转换（Channel Conversion）

把一个双向信道转换成唯送信道或者唯收（Receive Only）信道都是行得通的，但是反过来就不行。

package main

import "fmt"

func sendData(sendch chan<- int) {  
    sendch <- 10
}

func main() {  
    cha1 := make(chan int)
    go sendData(cha1)
    fmt.Println(<-cha1)
}

解释代码：
函数 sendData 里的参数 sendch chan<- int把 cha1 转换为一个唯送信道。于是该信道在 sendData 协程里是一个唯送信道，而在 Go 主协程里是一个双向信道。该程序最终打印输出 10。

关闭信道和使用 for range 遍历信道

数据发送方可以关闭信道，通知接收方这个信道不再有数据发送过来。

当从信道接收数据时，接收方可以多用一个变量来检查信道是否已经关闭。

v, ok := <- ch

package main

import (  
    "fmt"
)

func producer(chnl chan int) {  
    for i := 0; i < 10; i++ {
        chnl <- i
    }
    close(chnl)
}
func main() {  
    ch := make(chan int)
    go producer(ch)
    for {
        v, ok := <-ch
        if ok == false {
            break
        }
        fmt.Println("Received ", v, ok)
    }
}

producer 协程会从 0 到 9 写入信道 chn1，然后关闭该信道。主函数有一个无限的 for 循环（第 16 行），使用变量 ok（第 18 行）检查信道是否已经关闭。如果 ok 等于 false，说明信道已经关闭，于是退出 for 循环。如果 ok 等于 true，会打印出接收到的值和 ok 的值。

for range 循环用于在一个信道关闭之前，从信道接收数据。

package main

import (  
    "fmt"
)

func producer(chnl chan int) {  
    for i := 0; i < 10; i++ {
        chnl <- i
    }
    close(chnl)
}
func main() {  
    ch := make(chan int)
    go producer(ch)
    for v := range ch {
        fmt.Println("Received ",v)
    }
}

package main

import (  
    "fmt"
)

func digits(number int, dchnl chan int) {  
    for number != 0 {
        digit := number % 10
        dchnl <- digit
        number /= 10
    }
    close(dchnl)
}
func calcSquares(number int, squareop chan int) {  
    sum := 0
    dch := make(chan int)
    go digits(number, dch)
    for digit := range dch {
        sum += digit * digit
    }
    squareop <- sum
}

func calcCubes(number int, cubeop chan int) {  
    sum := 0
    dch := make(chan int)
    go digits(number, dch)
    for digit := range dch {
        sum += digit * digit * digit
    }
    cubeop <- sum
}

func main() {  
    number := 589
    sqrch := make(chan int)
    cubech := make(chan int)
    go calcSquares(number, sqrch)
    go calcCubes(number, cubech)
    squares, cubes := <-sqrch, <-cubech
    fmt.Println("Final output", squares+cubes)
}

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