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详解Go语言中如何通过Goroutine实现高并发

2024-10-11 09:13:16 作者：景天科技苑

在Go语言中,并发编程是一个核心且强大的特性,Go语言通过goroutine和channel等机制,使得并发编程变得更加简单和直观,本文给大家介绍了Go语言中如何通过Goroutine快速实现高并发,感兴趣的小伙伴跟着小编一起来看看吧

一、并发编程的基本概念

并发编程是指在一个程序中同时运行多个任务，这些任务可以独立地执行，也可以相互协作。并发编程可以提高程序的执行效率，特别是在处理大量I/O操作或计算密集型任务时。

在Go语言中，并发编程主要通过goroutine和channel来实现。
Goroutine是Go语言独有的并发执行单元，它允许函数或方法并发执行，而无需手动管理线程。
Channel是Go语言中进行goroutine间通信和同步的主要机制。

二、进程、线程、协程

**程序：**指令和数据的一个有序集合。本身没有任何含义，是一个静态的概念。

进程：QQ.exe 微信 … 一个个的程序、执行起来之后，开启一个进程。执行程序的一次执行过程，它是动态的概念。进程是系统资源分配的单位。

**线程：**一个进程中可以有多个线程，并行的，一个进程之中，至少要有一个线程。main 主线程

线程是CPU调度和执行的单位。
一个线程，直接执行就可以了
多个线程：CPU如何调度执行。 一个CPU、也是可以跑多个线程的。

并行和并发

并发:一个cpu同一时间不停执行多个程序
并行:多个cpu同一时间不停执行多个程序

在这里插入图片描述

在代码级别中的所谓多线程并发处理问题。模拟出来的。

真正的多线程是指的拥有多个CPU、多核
如果是模拟出来的多线程、即在一个CPU的情况下，在同一个时间点，只能执行一个线程的代码。
因为执行的速度很快，所以就有了同时在执行的一种错觉。

并行真的就最快吗？

并行运行的组件，考虑到多个线程之间的通信问题，这种跨CPU通信问题是开销比较高的，并行并不一定快。

在这里插入图片描述

进程

进程是一个程序在一个数据集中的一次动态执行过程，可以简单理解为“正在执行的程序"，它是CPU资源分配和调度的独立单位。

进程一般由程序、数据集、进程控制块三部分组成。我们编写的程序用来描述进程要完成哪些功能以及如何完成;

数据集则是程序在执行过程中所需要使用的资源;进程控制块用来记录进程的外部特征，描述进程的执行变化过程，系统可以利用它来控制和管理进程，它是系统感知进程存在的唯一标志。 进程的局限是创建、撤销和切换的开销比较大。

线程 :

线程是在进程之后发展出来的概念。线程也叫轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行过程中的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈共同组成。一个进程可以包含多个线程。

线程的优点是减小了程序并发执行时的开销，提高了操作系统的并发性能，**缺点是线程没有自己的系统资源，同一进程的各线程可以共享进程所拥有的系统资源，如果把进程比作一个车间，那么线程就好比是车间里面的工人。**不过对于某些独占性资源存在锁机制，处理不当可能会产生”死锁"。

协程Goroutine

协程是一种用户态的轻量级线程，又称微线程，英文名Coroutine,协程的调度完全由用户控制。人们通常将协程和子程序(函数)比较着理解。

就好比是启动了一个函数，单次执行完毕它。不影响我们main线程的执行。

子程序调用总是一个入口，一次返回，一旦退出即完成了子程序的执行。

与传统的系统级线程和进程相比，协程的最大优势在于其"轻量级”，可以轻松创建上百万个而不会导致系统资源衰竭，而线程和进程通常最多也不能超过1万的。这也是协程也叫轻量级线程的原因。

补充点：Go语言流行的主要一个原因，高并发的问题。高效！

Go语言对于并发的实现是靠协程，Goroutine

三、Goroutine

Go中使用Goroutine来实现并发concurrently

**Goroutine是Go语言特有的名词。**区别于进程Process,线程Thread, 协程Goroutine, 因为Go语言的创造者们觉得和他们是有所区别的，所以专门创造了Goroutine

Goroutine是与其他函数或方法同时运行的函数或方法。Goroutines可以被认为是轻量级的线程。与线程相比，创建Goroutine的成本很小，它就是一段代码，一个函数入口。以及在堆上为其分配的一个堆栈(初始大小为4K,会随着程序的执行自动增长删除)。因此它非常廉价，Go应用程序可以轻松并发运行数千个Goroutines

在go语言中使用 goroutine，在调用函数或者方法前面加上 go 关键字即可。

普通方法调用对比多线程
**普通方法调用：**串行

main(){ // 串行执行 1/2/3
    test1()
    test2()
    test3()
}

多线程

main(){ // 4个线程同时执行：main test1  test2 test3 、交替的快速执行。
   go test1()
   go test2()
   go test3()
}

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四、Goroutine的创建和使用

Goroutine是由Go的运行时调度和管理的轻量级线程。每个goroutine都有自己独立的栈空间，并且由Go的运行时环境进行调度。
与线程不同，goroutine的创建和切换成本更低，因为它只是函数入口和堆栈的封装，不需要像线程那样进行复杂的上下文切换。

1. 创建Goroutine

在Go语言中，使用go关键字来创建一个新的goroutine。例如：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    //使用go关键字来创建goroutine协程
    go Hello()
    time.Sleep(1 * time.Second) // 等待一秒钟，确保Hello函数有足够的时间执行。如果不加等待，main函数如果结束了，所有的 goroutine也会瞬间销毁
}

func Hello() {
    fmt.Println("hello world")
}

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2. Goroutine的规则

1、当新的Goroutine开始时， Goroutine调用立即返回。与函数不同，go不等待Goroutine执行结束

2、当Goroutine调用，并且Goroutine的任何返回值被忽略之后，go立即执行到下一行代码

3、main的Goroutine应该为其他的Goroutines执行。如果main的Goroutine终止了，程序将被终止，而其他Goroutine将不会运行

五、Goroutine的生命周期和调度

Go程序在一个主Goroutine中启动，这个主Goroutine封装了main函数。主Goroutine会进行一系列的初始化工作，包括设置每个goroutine能申请的栈空间的最大尺寸、启动垃圾回收Goroutine等。

当使用go关键字创建一个新的Goroutine时，Go的运行时会创建一个新的轻量级线程，并分配一个Goroutine栈，然后将该Goroutine添加到调度器中。
调度器会根据调度算法选择一个可用的Goroutine运行。如果当前没有可用的Goroutine，程序可能会进入休眠状态。

Goroutine在调用某些会引起阻塞的函数时，会被暂停，直到函数返回结果。
这些函数包括I/O操作、网络请求、系统调用、锁等。
当Goroutine阻塞时，调度器会将它放回到队列中，直到它再次准备好运行。

主Goroutine - mian
封装main函数的goroutine称为主goroutine。
主goroutine所做的事情并不是执行main函数那么简单。它首先要做的是:设定每一个goroutine所能申请的栈空间的最大尺寸。
在32位的计算机系统中此最大尺寸为250MB,而在64位的计算机系统中此尺寸为1GB。
如果有某个goroutine的栈空间尺寸大于这个限制，那么运行时系统就会引发一个栈溢出(stack overflow)的运行时恐慌。随后，这个go程序的运行也会终止。

此后，主goroutine会进行一系列的初始化工作，涉及的工作内容大致如下:

1、创建一个特殊的defer语句，用于在主goroutine退出时做必要的善后处理。因为主goroutine也可能非正常的结束

2、启动专用于在后台清扫内存垃圾的goroutine,并设置GC可用的标识.

3、执行main包中所引用包下的init函数

4、执行main函数

执行完main函数后，它还会检查主goroutine是否引发了运行时恐慌，并进行必要的处理。

程序运行完毕后，主goroutine会结束自己以及当前进程的运行。

六、使用runtime包管理Goroutine

Go语言的runtime包提供了与Go运行时环境交互的各种功能，包括垃圾回收、并发控制、程序退出、堆栈管理等。以下是一些常用的runtime包函数：

runtime.GOMAXPROCS：设置最大可运行的操作系统线程数。
runtime.NumCPU：返回机器的CPU核心数。
runtime.NumGoroutine：返回当前运行的Goroutine数量。
runtime.Gosched：让出CPU时间片，使得其他Goroutine可以运行。
runtime.Goexit：退出当前的Goroutine。
runtime.KeepAlive：确保某个Goroutine不会被垃圾回收。
runtime.SetFinalizer：为对象设置终结器，当垃圾回收器准备回收该对象时，会调用该终结器。
runtime.GC：强制运行垃圾回收器。
runtime.GOOS: 获取操作系统名称

这些函数可以帮助我们更好地管理Goroutine和并发编程。
例如，可以使用runtime.GOMAXPROCS来设置最大可运行的操作系统线程数，从而控制并发度。
可以使用runtime.NumGoroutine来监控当前运行的Goroutine数量，以便进行性能调优。

获取系统的信息runtime

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

// 获取系统的信息runtime
func main() {
    // 获取goRoot目录 : 找到指定目录，存放一些项目信息。
    fmt.Println("GoRoot Path:", runtime.GOROOT())
    // 获取操作系统  windows ，可以根据操作系统类型判断盘符分隔符。 “\\”  “/”
    fmt.Println("System:", runtime.GOOS)
    // 获取cpu数量 12， 可以尝试做一些系统优化，开启更大的栈空间。
    fmt.Println("Cpu num:", runtime.NumCPU())
}

在这里插入图片描述

并发控制

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

// 控制并发顺序
func main() {
    // goroutine是竞争cpu的  ，调度
    go func() {
        for i := 0; i < 5; i++ {
            fmt.Println("goroutine", i)
        }
    }()

    for i := 0; i < 5; i++ {
        // gosched:礼让, 让出时间片，让其他的 goroutine 先执行
        // cpu是随机，相对来说，可以让一下，但是不一定能够成功
        // schedule
        runtime.Gosched()
        fmt.Println("main-", i)
    }
}

正常情况下，main主函数里面的协程一般是先于go func()执行的，但是我们在main函数里面加上了runtime.Gosched()，这样main函数里面的代码执行就让出CPU时间片，让其他Goroutine先执行

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Goroutine的终止和清理

使用runtime.Goexit()终止Goroutine
runtime.Goexit()函数用于终止当前Goroutine的执行。当调用Goexit()时，当前Goroutine会立即停止执行，并把控制权交还给调度器。
这意味着当前Goroutine不会继续执行后续的代码，也不会返回到调用它的地方。同时，其他仍在运行的Goroutine将继续执行。例如：

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    go func() {
        defer fmt.Println("A.defer")

        func() {
            defer fmt.Println("B.defer")
                        //return // 只是终止了函数

            //这里设置，终止当前的 goroutine，该Goroutine中下面的代码不再执行
            runtime.Goexit()
            defer fmt.Println("C.defer")
            fmt.Println("B")
        }()

        fmt.Println("A")
    }()

    time.Sleep(1 * time.Second)
}

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七、多线程会遇到的问题

1. 临界资源的安全问题

临界资源：指并发环境中多个进程、线程、协程共享的资源

在并发编程中对临界资源的处理不当，往往会导致数据不一致的问题。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    // 此时的a就是临界资源：多个协程共享的变量，会导致程序结果未知
    a := 1

    go func() {
        a = 2
        fmt.Println("goroutine a:", a)
    }()

    a = 3
    time.Sleep(3 * time.Second)
    fmt.Println("main a:", a)
}

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2. 经典案例：售票问题

并发本身并不复杂，但是因为有了资源竞争的问题，就使得我们开发出好的并发程序变得复杂起来，因为会引起很多莫名其妙的问题。

如果多个goroutine在访问同一个数据资源的时候，其中一个线程修改了数据，那么这个数值就被修改了，对于其他的goroutine来讲，这个数值可能是不对的。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

// 定义全局变量 票库存为10张
var ticket int = 10

func main() {
    // 单线程不存在问题，多线程资源争抢就出现了问题
    //多人抢票
    go saleTickets("张三")
    go saleTickets("李四")
    go saleTickets("王五")
    go saleTickets("赵六")

    time.Sleep(time.Second * 5)
}

// 售票函数
func saleTickets(name string) {
    for {
        if ticket > 0 {
            time.Sleep(time.Millisecond * 1)
            fmt.Println(name, "剩余票的数量为：", ticket)
            //每卖出一张票，票的数量减一
            ticket--
        } else {
            fmt.Println("票已售完")
            break
        }
    }
}

多线程都在操作数据，出现了负数这种不合理的结果

在这里插入图片描述

发现结果和预想的不同，多线程加入之后，原先单线程的逻辑出现了问题。

以上就是详解Go语言中如何通过Goroutine实现高并发的详细内容，更多关于Go Goroutine实现高并发的资料请关注脚本之家其它相关文章！

详解Go语言中如何通过Goroutine实现高并发

一、并发编程的基本概念

二、进程、线程、协程

三、Goroutine

四、Goroutine的创建和使用

1. 创建Goroutine

2. Goroutine的规则

五、Goroutine的生命周期和调度

六、使用runtime包管理Goroutine

七、多线程会遇到的问题

1. 临界资源的安全问题

2. 经典案例：售票问题

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