golang的两把利器，协程和管道

作者: 程序员小饭 | 来源:发表于2022-11-20 17:48 被阅读0次

golang的协程相信大家都不陌生，在golang中的使用也很简单，只要加上一个关键字go即可，虽然说大家都知道，但是真的在实际使用中又遇到这样那样的问题，坑其实还是挺多的。而网上很多文章和教程，要么就是讲的太简单，给你简单介绍一下协程和管道的使用，点到为止，要么就上来给你撸GPM模型，看的人一脸懵逼，所以我以实际使用过程中遇到的问题这个角度出发,可能会分多篇总结一下golang的协程相关的知识点，希望对你有用，如果觉得还不错，记得点个赞，点个关注。

ps：如果你从来没有了解过golang的协程，建议先自己搜一些资料简单的了解一下，还有并发并行那些基础概念之类的，本文都不会提及。

协程非常容易引发并发问题

我们先看下列程序

func main() {
    res := make(map[int]int)
    for i := 0; i < 100; i++ {
        go handleMap(res)
    }
    time.Sleep(time.Second * 1)

}
func handleMap(res map[int]int) {
    for i := 0; i < 200; i++ {
        res[i] = i * i
    }
}

因为map类型作为参数是直接以引用的方式传递的，所以handleMap函数不需要返回值，直接操作参数res即可
handleMap的作用就是不断的给map赋值
因为执行handleMap的时候是开启协程的，所以是多个程序并发的去对res(map类型写入)，所以上述程序是会报错的，输出结果如下
程序下方加上time.Sleep(time.Second * 1)的原因是因为主程序(main)执行完毕退出，但是协程还没执行完毕会被直接关闭。

fatal error: concurrent map writes

goroutine 48 [running]:
runtime.throw(0x100f814d1, 0x15)
        /opt/homebrew/Cellar/go@1.16/1.16.13/libexec/src/runtime/panic.go:1117 +0x54 fp=0x14000145f50 sp=0x14000145f20 pc=0x100f16f34
runtime.mapassign_fast64(0x100faeae0, 0x14000106180, 0x1f, 0x14000072200)
        /opt/homebrew/Cellar/go@1.16/1.16.13/libexec/src/runtime/map_fast64.go:176 +0x2f8 fp=0x14000145f90 sp=0x14000145f50 pc=0x100ef7188
main.handleMap(0x14000106180)
        /Users/test/Sites/beikego/test/rountine.go:22 +0x44 fp=0x14000145fd0 sp=0x14000145f90 pc=0x100f7e644
runtime.goexit()

解决方式(1) 加锁

如果有并发问题，我们最容易想到的一个办法就是加锁

func main() {
    res := make(map[int]int)
    for i := 0; i < 100000; i++ {
        go handleMap(res)
    }

    time.Sleep(time.Second * 1)
    lock.Lock()  //因为对map的读取的时候有可能还在写入，所以这里也需要加锁
    for _, item := range res {
        fmt.Println(item)
    }
    lock.Unlock()
}
func handleMap(res map[int]int) {
    lock.Lock()  //每一个协程过来请求都先加锁
    for i := 0; i < 2000; i++ {
        res[i] = i * i
    }
    lock.Unlock()  //处理完map之后释放锁
}

上面过程我画了一张图，具体哪里为什么加锁都有说明

上述程序执行过程图示

上述例子虽然开启了100000个协程，但是在每个协程处理map的时候加上了一个lock，处理完毕才释放，所以各个协程对map的操作是隔离开的。
在读取map的时候加锁的原因，是因为sleep 1s之后，有可能map还在写入，边读边写当然会有并发问题
上述方式虽然解决了并发问题，但是也存在一定的问题。主要是需要sleep，而且sleep多长时间没法确定
所以这里引入咱们的解决方式2，管道

解决方式（2）管道channel

channel本质就是一个数据结构，队列。既然是队列，当然有着先进先出的原则,而且是能保证线程安全的,多个gorountine访问不需要加锁。

当然如果你还没有接触过管道，可以提前找些资料了解一下，下面是一个管道的简单示意图

管道简单示意图

管道在使用的过程中需要注意的问题

管道(channel)在使用的过程中有很多需要注意的点，我在这里列一下

使用管道之前必须make一下，而且指定长度

  var intChan chan int
    intChan <- 1
    fmt.Println(<-intChan)
  //返回信息
  fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
  goroutine 1 [chan send (nil chan)]:

为什么需要make，前面文章已经讲过，可以看看，
聊聊golang的make和new函数
指定长度也很好理解，管道的本质是队列,队列当然是需要指定长度的

管道写入的数据数如果超过管道长度，会报错

  intChan := make(chan int, 1)  //长度为1
    intChan <- 1
    intChan <- 2  //这里会报错
    fmt.Println(<-intChan)
  //返回结果
  fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
  goroutine 1 [chan send]:

读取空管道，会报错

intChan := make(chan int, 1)
fmt.Println(<-intChan)  //此时管道里面还没有任何内容
//返回结果
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
goroutine 1 [chan receive]:

管道也支持interface，但是拿到结构体具体的属性的时候，需要断言

type Person struct {
    Name string
}
func main(){
    personChan := make(chan interface{}, 10)
      personChan <- Person{Name: "小饭"}  //写入结构体类型
      personChan <- 1  //写入int类型
      personChan <- "test_string"  //写入string类型
      fmt.Println(<-personChan, <-personChan, <-personChan)
}
  //返回结果
  {小饭} 1 test_string

上面例子我们可以看到，如果管道定义为interface类型，任何类型的数据都是可以写入并且正常取出的，但是我们写入结构体类型之后，如果想取出结构体的具体属性，则需要断言

type Person struct {
    Name string
}
func main() {
    personChan := make(chan interface{}, 10)
    personChan <- Person{Name: "小饭"}
    person := <-personChan  //取出结构体之后，此时还不知道是什么类型，所以没法直接取属性，因为定义的是interface
    per := person.(Person)  //对取出结果进行断言
    fmt.Println(per.Name)
}
//返回结果
小饭

管道是可以循环的，但是循环之前必须关闭，关闭之后不可写入任何数据

  personChan := make(chan int, 10)
    personChan <- 1
    personChan <- 2
    personChan <- 3
    close(personChan) //关闭之后管道不能写入任何数据，否则就会报 panic: send on closed channel
    for item := range personChan {  //在for range循环管道之前必须关闭管道，否则会报  fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
        fmt.Println(item)
    }

其实为什么循环之前需要关闭管道，很好理解，因为for rang循环可以简单理解为一个死循环，当管道数据读取完了之后会继续读取，类似于读取一个空管道，当然会报错
管道关闭之后不能写入更好理解，一个对象销毁了还能去赋值么？一样的道理

切忌不要尝试用for(i:=0;i<len(chan):i++)的方式去循环

这个很好理解，我就不用代码演示了，因为每次从管道中取一个数据，len(chan)是变化的，所以这么取数据肯定是有问题的。换句话说也就是不要随便用len(chan),坑很多

协程和管道的综合使用

我们前面抛出的问题是，开启协程操作map会引发并发问题，现在我们看看怎么用管道解决他

协程和管道配合解决map写入并发问题

注意这里用到了两个管道，管道chan map是用于map的读写用的，exitChan是用于告诉main函数可以退出用的
首先开启一个writeMap的协程，把map数据都写入到管道(chan map)中，需要注意的是数据写完之后需要把协程关闭掉
在开启一个readMap的协程，把管道中(chan map)数据一个一个的读出来.
当readMap把数据全部读取完成中后，给main函数发送一个信号(也就是往exitChan中写一条数据)
main函数监听exitChan，收到数据直接退出即可。

var chanMap chan map[int]int
var exitChan chan int

func main() {
    size := 50000
    chanMap := make(chan map[int]int, size)  
    exitChan := make(chan int, 1)
    go WriteMap(chanMap, size)  //开启写map协程
    go ReadMap(chanMap, exitChan) //开启读map协程
    for {
        exit := <-exitChan  //监听exitChan 收到信号直接return即可
        if exit != 0 {
            return
        }
    }
}

//写map数据
func WriteMap(chanMap chan map[int]int, size int) {
    for i := 1; i <= size; i++ {
        temp := make(map[int]int, 1)
        temp[i] = i
        chanMap <- temp
        fmt.Println("写入数据：", temp)
    }
    close(chanMap)  //注意数据写完需要关闭管道
}
//读map数据
func ReadMap(chanMap chan map[int]int, exitChan chan int) {
    for {
        val, ok := <-chanMap
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Println("读取到：", val)
    }
    exitChan <- 1  //数据读取完毕通知main函数可退出
}

协程和管道到底能提升多高的效率？

咱们用协程的目的就是想提高程序的运行效率，管道可以简单理解为是协助协程一起使用的，但是效率到底能提升多少呢？咱们一起来看一看。

判断素数

大家都知道，判断素数的复杂度是N²，比较慢，咱们先看一看传统的一个一个的去判断需要多长时间

判断100000以内的数字哪些是素数

func CheckPrime(num int) bool {  //判断一个数字是否是素数
    res := true
    for i := 2; i < num; i++ {
        if num%i == 0 {
            res = false
        }
    }
    return res
}


func main(){
  t := time.Now()
    size := 100000

    for i := 0; i < size; i++ {
        if CheckPrime(i) {
            fmt.Println(i, "是素数")
        }
    }
    elapsed := time.Since(t)

    fmt.Println("app elapsed:", elapsed)
    return
}

上述程序运行了3.33秒多，看来还是比较慢的

接下来我们用协程和管道的方式看看，还是老规矩，我们先看看流程图

协程和管道配合查找素数

先把每个需要判断的数字写入initChan
开启多个协程拉取initChan的数据一个一个的判断,这一步是程序速度加快的关键，如果不是素数，不处理即可，如果是素数，就写入PrimeChan，判断完之后写入exitChan，通知主程序即可
主程序监听primeChan并输出，同时监听exitChan，收到信号退出即可

//初始化，把需要被判断的数字写入initChan
func initChan(intChan chan int, size int) {
    for i := 1; i <= size; i++ {
        intChan <- i
    }
    close(intChan)
}
//读取initChan中的数据，一个一个的判断，如果是素数，就写入PrimeChan，并且写入exitChan

func CheckPrimeChan(intChan, primeChan chan int, exitChan chan bool) {
    for {
        num, ok := <-intChan
        if !ok {
            break
        }
        if CheckPrime(num) {
            primeChan <- num
        }
    }
    exitChan <- true

}

func main() {
    t := time.Now() 
    size := 100000
    intChan := make(chan int, size)
    primeChan := make(chan int, size)
    exitChan := make(chan bool, 1)
    go initChan(intChan, size) //初始化initChan
    checkChannelNum := 8
    for i := 0; i < checkChannelNum; i++ {  //开启8个协程同时拉取initChan的数据并判断是否是素数
        go CheckPrimeChan(intChan, primeChan, exitChan)
    }
    go func() {
        for i := 0; i < checkChannelNum; i++ {
            <-exitChan
        }
        close(primeChan)

    }()

    for {
        value, ok := <-primeChan
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Println(value, "是素数")
    }
    elapsed := time.Since(t)

    fmt.Println("app elapsed:", elapsed)
}
  //程序执行消耗时间
  848.455084m

上述程序执行时间为848.455084ms,是传统的方式的时间的四分之一，可见协程在提高运行效率这块的作用还是显而易见的

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