一篇带给你Go语言的并发

并发

 

前言

在学习 Go 的并发之前，先复习一下操作系统的基础知识。

并发与并行

先来理一理并发与并行的区别。

• 并行：指的是在同一时间，多个程序在不同的 CPU 上共同运行，互相之间并没有对 CPU 资源进行竞争。比如，我在看书的时候，左手用来翻书，右手做笔记，两者可以同时进行。
• 并发：如果系统只有一个 CPU，有多个程序要运行，系统只能将 CPU 的时间划分为多个时间片，然后分配给不同的程序。比如，我看书的时候，只能用右手翻完书之后，才能腾出手来做笔记。

可是明确的是并发≠并行，但是只要 CPU 运行足够快，每个时间片划分足够小，就会给人们造成一种假象，认为计算机在同一时刻做了多个事情。

进程、线程、协程

进程是一个程序执行的过程，也是系统进行资源分配和调度的基本单位。简单来说，一个进程就是我们电脑上某个独立运行的程序。

而线程是系统能够调度的最小单位，它被包含在进程里面，是进程中的实际运作单位，一个进程可以包含多个线程。可以将进程理解为一个工厂，而工厂里面的工人就是线程。就像工厂里面必须要有一个工人才能工作一样，每个进程里面也必须有一个线程才能工作。比如，JavaScript 就被成为单线程的语言，说明 JavaScript 工厂里面只有一个打工人，这个打工人就是工头，称为主线程。多线程的进程中也会有一个主线程，主线程一般随着进程一起创建和销毁。

进程与线程都是操作系统上的概念，程序中如果要进行进程或者线程的切换，在切换的过程中，需要先保存当线程的状态，然后恢复另一个线程的状态，这是需要耗费时间的，如果是进程的切换还可能跨 CPU，无法利用 CPU 缓存，导致进程比线程的切换成本更加高昂。

所以，除了系统级别的内核线程外，一些程序中创建了用户线程这一说，这么做可以减少与操作系统交互，将线程的切换控制在程序内，这种用户态的线程被称为协程。用户线程的切换完全由程序控制，实际上使用的内核线程就只存在一个，内核线程与用户线程之间的关系为一对多。虽然这样做可以减少线程上下文切换带来的开销，但是，无法避免阻塞的问题。一旦某个用户线程被阻塞会导致内核线程的阻塞，无法进行用户线程进行切换，从而整个进程都被挂起，

协程

Go 语言中的线程模型既不是使用内核线程，也不是完全的用户线程，而是一种混合型的线程模型。用户线程与内核线程的对应关系为多对多，用户线程与内核线程动态关联，当某个线程出现阻塞的时候，可以动态切换到另外的内核线程上。

G-P-M模型

上面只是 Go 语言中抽象层面的线程模型，具体是如何进行线程调度的，还是看看 Go 语言的代码。

1. func log(msg string) { 
2.  fmt.Println(msg) 
3. } 
4. func main() { 
5.  log("hello") 
6.  go log("world") 
7. } 

之前的文章介绍过，Go 程序在运行时，默认以 main 函数为入口，main 函数中运行的代码会到一个 goroutine 中运行。如果我们在调用的函数前，加上一个 go 关键词，那么这个函数就放到另外一个 goroutine 中运行。

这里说的 goroutine 就是 Go 语言中的用户线程，也就是协程。Go 语言在运行时，会建立一个 G-P-M 模型，这个模型专门负责 goroutine 的调度。

• G：gotoutine(用户线程);
• P：processor(逻辑处理器);
• M：machine(机器资源);

每个 goroutine 都会放到一个 goroutine 队列中，由于是用户自主创建，上下文的切换成本极低。P(processor)的主要作用是管理用户线程，将 goroutine 合理的安排到内核线程上，也就是这个模型的 M。通常情况下，G 的数量远远多于 M。

Goroutine

如果你有运行过上面的代码，你会发现，go 关键词后的函数并没有真正执行。

1. func log(msg string) { 
2.  fmt.Println(msg) 
3. } 
4. func main() { 
5.  log("hello") 
6.  go log("world") 
7. } 

运行后，终端只输出了 hello，并没有输出 world。

这是因为 main 函数会在主 goroutine 中运行，类似于主线程，而每个 go 语句会启动一个新的 goroutine，启动后的 goroutine 并不会直接执行，而是会放入一个 G 队列中，等待 P 的分配。但是主 goroutine 结束后，就意味着程序结束了，G 队列中的 goroutine 还没有等到执行时间。所以，go 语句后的函数是一个异步的函数，go 语句调用后，会立即去执行后面的语句，而不会等待 go 语句后的函数执行。

如果要 world 输出，我们可以在 main 函数后面加一个休眠，延长主 goroutine 的执行时间。

1. import ( 
2.  "fmt" 
3.  "time" 
4. ) 
5. func log(msg string) { 
6.  fmt.Println(msg) 
7. } 
8. func main() { 
9.  fmt.Println() 
10.  log("hello") 
11.  go log("world") 
12.  time.Sleep(time.Millisecond * 500) 
13. } 

通道

多线程编程中，由于各个线程之间需要共享数据，一般采用的是共享内存的方案。但是这么做，势必会出现多个线程同时修改同一份数据情况，为了保证数据的安全性，需要为数据加锁，处理起来就比较麻烦。

所以在 Go 语言社区有一句名言：

不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存。

创建通道

这里说的通信的方式，就是 Go 语言中的通道(channel)。通道是 Go 语言中的一种特殊类型，需要通过 make 方法创建一个通道。

1. ch := make(chan int) // 创建一个 int 类型的通道 

创建通道的时候，需要加上一个类型，表示该通道传输数据的类型。也可以通过指定一个空接口的方式，创建一个可以传送任意数据的通道。

1. ch := make(chan interface{}) 

创建的通道分为无缓存通道和有缓存通道，make 方法的第二个参数表示可缓存的数量(如果传入 0，效果和不传一样)。

1. ch := make(chan string, 0) // 无缓存通道，传入 
2. ch := make(chan string, 1) 

发送和接收数据

通道创建后，通过 <- 符号来接收和发送数据。

1. ch := make(chan string) 
2. ch <- "hello world" // 发送一个字符串 
3. msg := <- ch // 接收之前发送的字符串 

实际在这个代码运行的时候，会提示一个错误。

1. fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 

表明当前的 goroutine 处于挂起状态，并且后续不会有响应，只能直接中断程序。因为这里创建的是无缓存通道，发送数据后通道不会将数据缓存在通道中，导致后面要找通道要数据的时候无法正常从通道中获取数据。我们可以将通道的缓存设置为 1，让通道可以缓存一个数据在里面。

1. ch := make(chan string, 1) 
2. ch <- "hello world" // 发送一个字符串 
3. msg := <- ch // 接收之前发送的字符串 
4. fmt.Println(msg) 

但是如果发送的数据超出了缓存数量，或者接受数据时，缓存里面已经没有数据了，依然会报错。

1. ch := make(chan string, 1) 
2. ch <- "hello world" 
3. ch <- "hello world" 
4.  
5. // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 

1. ch := make(chan string, 1) 
2. ch <- "hello world" 
3. <- ch 
4. <- ch 
5.  
6. // fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! 

协程中使用通道

那么无缓存的通道中，应该怎么发送和接收数据呢?这就需要将通道与协程进行结合，也就是 Go 语言中常用的并发的开发模式。

无缓存的通道在收发数据时，由于一次只能同步的发送一个数据，会在两个 goroutine 间反复横跳，通道在接受数据时，会阻塞当前 goroutine，直到通道在另一个 goroutine 发送了数据。

1. ch := make(chan string) // 创建一个无缓存通道 
2. temp := "我在地球" 
3. go func () {   
4.  // 接收一个字符串 
5.  ch <- "hello world" 
6.  temp = "进入了异次元" 
7. }() 
8. // 运行到这里会被阻塞 
9. // 直到通道在另一个 goroutine 发送了数据 
10. msg := <- ch 
11. fmt.Println(msg) 
12. fmt.Println("temp =>", temp) 

为了证明通道在接收数据时会被阻塞，我们可以在前面加上一个 temp 变量，然后在另外的 goroutine 中修改这个变量，看最后输出的值是否被修改，以此证明通道在接受数据时是否发生了阻塞。

运行结果已经证明，当通道接收数据时，阻塞了主 goroutine 的执行。除了主动的从通道里面一条条的获取数据，还可以通过 range 的方式循环获取数据。

1. ch := make(chan string) 
2.  
3. go func() { 
4.   for i := 0; i < 5; i++ { 
5.     ch <- fmt.Sprintf("数据 %d", i) 
6.   } 
7.   close(ch) 
8. }() 
9.  
10. for data := range ch { 
11.   fmt.Println("接收 =>", data) 
12. } 

如果使用 range 循环读取通道中的数据时，在数据发送完毕时，需要调用 close(ch) ，将通道关闭。

实战

在了解了前面的基础知识之后，我们可以通过协程 + 通道的写一段爬虫，来实战一下 Go 语言的并发能力。

首先确定爬虫需要爬取的网站，由于个人比较喜欢看电影，所以决定爬一爬豆瓣的电影 TOP 榜单。

其域名为 https://movie.douban.com/top250，翻到第二页后，域名为 https://movie.douban.com/top250?start=25 ，第三页的域名为 https://movie.douban.com/top250?start=50，说明每次这个 TOP 榜单每页会有 25 部电影，每次翻页就给 start 参数加上 25。

1. const limit = 25 // 每页的数量为 25 
2. const total = 100 // 爬取榜单的前 100 部电影 
3. const page = total / limit // 需要爬取的页数 
4.  
5. func main() { 
6.  var start int 
7.  var url string 
8.  for i :=0; i < page; i++ { 
9.     start := i * limit 
10.     // 计算得到所有的域名 
11.     url := "https://movie.douban.com/top250?start=" + strconv.Itoa(start) 
12.  } 
13. } 

然后，我们可以构造一个 fetch 函数，用于请求对应的页面。

1. func fetch(url string) { 
2.   // 构造请求体 
3.  req, _ := http.NewRequest("GET", url, nil) 
4.   // 由于豆瓣会校验请求的 Header 
5.   // 如果没有 User-Agent，http code 会返回 418 
6.  req.Header.Add("User-Agent", "Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/91.0.4472.114 Safari/537.36") 
7.  
8.   // 发送请求 
9.  client := &http.Client{} 
10.  rsp, _ := client.Do(req) 
11.  
12.   // 断开连接 
13.  defer rsp.Body.Close() 
14. } 
15.  
16. func main() { 
17.  for i :=0; i < page; i++ { 
18.     url := …… 
19.   go fetch(url, ch) 
20.  } 
21. } 

然后使用 goquery 来解析 HTML，提取电影的排名以及电影名。

1. // 第二个参数为与主goroutine 沟通的通道 
2. func fetch(url string, ch chan string) { 
3.   // 省略部分代码 …… 
4.  rsp, _ := client.Do(req) 
5.   // 断开连接 
6.  defer rsp.Body.Close() 
7.   // 解析 HTML 
8.  doc, _ := goquery.NewDocumentFromReader(rsp.Body) 
9.  // 提取 HTML 中的电影排行与电影名称 
10.  doc.Find(".item").Each(func(_ int, s *goquery.Selection) { 
11.   num := s.Find(".pic em").Text() 
12.   title := s.Find(".title::first-child").Text() 
13.     // 将电影排行与名称写入管道中 
14.   ch <- fmt.Sprintf("top %s: %s\n", num, title) 
15.  }) 
16. } 

最后，在主 goroutine 中创建通道，以及接收通道中的数据。

1. func main() { 
2.   ch := make(chan string) 
3.  
4.  for i :=0; i < page; i++ { 
5.     url := …… 
6.   go fetch(url, ch) 
7.  } 
8.  
9.  for i :=0; i < total; i++ { 
10.   top := <- ch // 接收数据 
11.   fmt.Println(top) 
12.  } 
13. } 

最后的执行结果如下：

可以看到由于是并发执行，输出的顺序是乱序。

完整代码

1. package main 
2.  
3. import ( 
4.  "fmt" 
5.  "github.com/PuerkitoBio/goquery" 
6.  "net/http" 
7.  "strconv" 
8. ) 
9.  
10. const limit = 25 
11. const total = 100 
12. const page = total / limit 
13.  
14. func fetch(url string, ch chan string) { 
15.  req, _ := http.NewRequest("GET", url, nil) 
16.  req.Header.Add("User-Agent", "Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_7) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/91.0.4472.114 Safari/537.36") 
17.  
18.  client := &http.Client{} 
19.  rsp, _ := client.Do(req) 
20.  
21.  defer rsp.Body.Close() 
22.  
23.  doc, _ := goquery.NewDocumentFromReader(rsp.Body) 
24.  
25.  doc.Find(".item").Each(func(_ int, s *goquery.Selection) { 
26.   num := s.Find(".pic em").Text() 
27.   title := s.Find("span.title::first-child").Text() 
28.   ch <- fmt.Sprintf("top %s: %s\n", num, title) 
29.  }) 
30. } 
31.  
32. func main() { 
33.  ch := make(chan string) 
34.  
35.  for i :=0; i < page; i++ { 
36.   start := i * limit 
37.   url := "https://movie.douban.com/top250?start=" + strconv.Itoa(start) 
38.   go fetch(url, ch) 
39.  } 
40.  
41.  for i :=0; i < total; i++ { 
42.   top := <- ch 
43.   fmt.Println(top) 
44.  } 
45. } 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/fD7xHDQya49Vt8NcRPghCA