golang学习笔记（二）—— 深入golang中的协程

小白一枚，最近在研究golang，记录自己学习过程中的一些笔记，以及自己的理解。

go中协程的实现

go中协程的sync同步锁

go中信道channel

go中的range

go中的select切换协程

go中带缓存的channel

go中协程调度

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介绍go中的协程之前，首先看以下go中的defer函数，defer函数不是普通的函数，defer函数会在普通函数返回之后执行。defer函数中可以释放函数内部变量、关闭数据库连接等等操作，举例来说：

func print(){
  fmt.Println(2);
}
func main() {
  defer print();
  fmt.Println(1);
}

上述的例子中先输出1后输出2，说明defer确实是在普通函数调用结束之后执行的。

go中使用协程的方式来处理并发，协程可以理解成更小的线程，占用空间小且线程上下文切换的成本少。

可以再为具体的描述以下协程的好处，协程比线程更加轻量，使用4K栈的内存就可以创建它们，可以用很小的内存占用就可以处理大量的任务。

在go中，携程是通过go关键字来调用，从关键字可以看出，golang的一个十分重要的特点就是协程，有句话叫“协程在手，说go就go”。

1、go中协程的实现

下面我们来看一个例子：

func printOne(){
  fmt.Println(1);
}
func printTwo(){
  fmt.Println(2);
}
func printThree(){
  fmt.Println(3);
}

func main() {
  go printOne();
  go printTwo();
  go printThree();
}

执行上述的main函数，我们发现并没有像我们想的那样输出有123的输出，原因在于虽然协程是并发的，但是如果在协程调用前退出了调用协程的函数后，协程会随着程序的消亡而消亡。

因此我们可以在main函数中，将主函数挂起，增加等待协程调用的事件。

func main() {
  go printOne();
  go printTwo();
  go printThree();
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

这样会有相应的go关键字修饰的协程函数的调用。我们来看分别执行3次的结果。

第一次
1
3
2
第二次
3
2
1
第三次
3
1
2

我们发现因为协程是并发执行的，我们无法确定其调用的顺序，因此每次的调用主函数的返回结果都是不确定的。

从协程的上述例子中，我们可以看出使用协程的时候必须还要考虑两个问题：

如何控制协程的调用顺序，特别是当不同的协程同时访问同一个资源。
如何实现不同协程间的通信

问题1，可以通过sync的同步锁来实现，问题2，go中提供了channel来实现不同协程间的通信。

2、go中协程的sync同步锁

go中sync包提供了2个锁，互斥锁sync.Mutex和读写锁sync.RWMutex.我们用互斥锁来解决上述的同步问题，改写上述的例子：

func printOne(m *sync.Mutex){
  m.Lock();
  fmt.Println(1);
  defer m.Unlock();
}

func printTwo(m *sync.Mutex){
  m.Lock();
  fmt.Println(2);
  defer m.Unlock();
}

func printThree(m *sync.Mutex){
  m.Lock();
  fmt.Println(3);
  defer m.Unlock();
}

func main() {
  m:= new(sync.Mutex);
  go printOne(m);
  go printTwo(m);
  go printThree(m);
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

通过互斥锁，可以发现每次运行，确实都依次输出了1，2，3

3、go中信道channel

go中有一种特殊的类型通道channel，可以通过channel来发送类型化的数据，实现在协程之间的通信，通过通道的通信方式也保证了同步性。

channel的声明方式很简单：

var ch1 chan string
ch1 = make(chan string)

我们用ch表示通道，通道的符号包括了流向通道(发送): ch <- int1 和从通道流出(接收) int2 = <- ch。

同时go中也支持声明单向通道：

var ch1 chan int //普通的channel
var ch2 chan <- int //只用于写int数据
var ch3 <- chan int //只用于读int数据

上述定义的都是不带缓存区，或者说长度为1的channel,这种channel的特点就是：

一旦有数据被放入channel，那么该数据必须被取走才能让另一条数据放入，这就是同步的channel，channel的发送者和接受者在同一时间只交流一条数据，然后必须等待另一边完成相应的发送和接受动作。

我们还是用上述的输出123的例子，用同步channel来实现同步的输出。

func printOne(cs chan int){
  fmt.Println(1);
  cs <- 1
}
func printTwo(cs chan int){
  <-cs
  fmt.Println(2);
  defer close(cs);
}

func main() {
  cs := make(chan int);
  go printOne(cs);
  go printTwo(cs);
  time.Sleep(5 * 1e9);
}

上述的例子中会依次输出12，这样我们通过同步channel的方式实现了同步的输出。

我们前面讲到用为了等待go协程执行完成，我们在main函数中用time.sleep来挂起主函数，其实main函数本身也可以看成一个协程，如果使用channel，就不用在main函数中用time.sleep来挂起。

我们改写上述的例子：

func printOne(cs chan int){
  fmt.Println(1);
  cs <- 1
}
func main() {
  cs := make(chan int);
  go printOne(cs);
  <-cs;
  close(cs);
}

上述的例子中，会输出 1 ，我们并没有在主函数中通过time.sleep的方式来挂起，转而用一个等待写入的channel来代替。

注意：通道可以被显式的关闭，当需要告诉接受者不会种子提供新的值的时候，就需要关闭通道。

4、go中的range

上面我们也讲到要及时的关闭channel，但是持续的访问数据源并检查channel是否已经关闭，并不高效。go中提供了range关键字。

range关键字在使用channel的时候，会自动等待channel的动作一直到channel关闭。通俗点将就是可以channel可以自动开关。

同样的来举例：

func input(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func output(cs chan int){
  for s:= range cs {
    fmt.Println(s);
  }
}
func main() {
  cs := make(chan int);
  go input(cs,5);
  go output(cs);
  time.Sleep(3*1e9)
}

上述的例子会依次的输出1，2，3，4，5. 通过使用range关键字，当channel被关闭时，接受者的for循环也就自动停止了。

5、go中的select切换协程

从不同的并发执行过程中获取值可以通过关键字select来完成，它和switch控制语句非常相似，也被称为通信开关。

首先要明确select做了什么？？

select中存在着一种轮询机制，select监听进入通道的数据，也可以是通道发送值的时候，监听到相应的行为后就执行case里面的操作。

select的声明：

select {
   case u:= <- ch1:
       ...
   case v:= <- ch2;
       ...

}

同样的来看一下具体使用select的例子：

func channel1(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func channel2(cs chan int,count int){
  for i:=1;i<=count;i++ {
    cs <- i
  }
}
func selectTest(cs1 ,cs2 chan int){
  for i:=1;i<10;i++ {
    select {
      case u:=<-cs1:
           fmt.Println(u);
      case v:=<-cs2:
           fmt.Println(v);
    }
  }
}
func main() {
  cs1 := make(chan int);
  cs2 := make(chan int);
  go channel1(cs1,5);
  go channel2(cs2,3);
  go selectTest(cs1,cs2);
  time.Sleep(3*1e9)
}

输出结果为：1,2,1,2,3,3,4,5 总共8个数据。且因为没有做同步控制，因此运行几次后的输出结果是不相同的。

6、go中带缓存的channel

前面讲到的都是不带缓存的channel或者说长度为1的channel，实际上channel也是可以带缓存的，我们可以在声明的时候执行channel的长度。

ch = make(chan string,3)

比如上述的例子中，指定了ch这个channel的长度为3，长度不为1的channel，就可以称之为带缓存的channel.

带缓存的channel可以连续写入，直到长度占满为止。

ch <- 1
ch <- 2 
ch <- 3

7、go中协程调度

讲到并发，就要提到go中的协程调度。go中的runtime包，提供了调度器的功能。runtime包提供了以下几个方法：

Gosched：让当前线程让出 cpu 以让其它线程运行,它不会挂起当前线程，因此当前线程未来会继续执行
NumCPU：返回当前系统的 CPU 核数量
GOMAXPROCS：设置最大的可同时使用的 CPU 核数
Goexit：退出当前 goroutine(但是defer语句会照常执行)
NumGoroutine：返回正在执行和排队的任务总数
GOOS：目标操作系统

对于多核CPU的机器，go可以显示的指定编译器将go的协程调度到多个CPU上运行

import "runtime"
...
cpuNum:=runtime.NumCPU;
runtime.GOMAXPROCS(cpuNum)

来聊聊GO中的调度原理，首先定义以下模型的概念：

M：内核中的线程的数目
G：go中的协程，并发的最小单元，在go中通过go关键字来创建
P：处理器，即协程G的上下文，每个P会维护一个本地的协程队列。

接着来看解释GO中协程调度的经典图：

1141545827812_ pic_hd

我们来解释上图：

P是处理器的个数，我们经常将调度器的GOMAXPROCS设置成CPU的个数，因此这里P一般来说是机器CPU的个数。
M是线程，在P处理器上关联一个线程，P和M的一组配对组成了局部的协程队列
G就是协程，需要被添加到由P和M组成的局部队列中依次处理
除了局部的协程外，在全局还维护了一个协程队列。
如果局部协程队列中处理完了所有队列，且没有新队列，那么M线程会取消对于CPU的占用，M线程进入休眠