Go語言中的並發goroutine底層原理

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一、基本概念

①並發、並行區分

1.概念

  • 並發：同一時間段內一個對象執行多個任務,充分利用時間
  • 並行：同一時刻,多個對象執行多個任務

2.圖解

類似於超市櫃臺結賬,並行是多個櫃臺結多個隊列,在計算機中是多核cpu處理多個go語言開啟的線程,並發是一個櫃臺結賬多個隊列,在計算機中就是單核cpu處理多個任務,搶奪時間片.

②從用戶態線程,內核態線程闡述go與java並發的優劣

1.用戶態線程、內核態線程差異

  • 用戶態：隻能受限制的訪問內存,且不允許訪問外圍設備,占用CPU資源可以被其他程序搶走。
  • 內核態：CPU可以訪問內存所有數據,包括外圍設備,例如硬盤網卡等,cpu可以將自己從一個程序切換到另一個程序

2.java與go並發差異：

java:

  • java沒有規定具體使用什麼線程,而是在不同形態的線程上進行切換,會耗費相當的資源
  • go是用戶態線程,資源耗費較少，一個線程的棧體默認為1M，並且需要運行在JVM上

go:

  • go語言並發通過,goroutine實現，屬於用戶態的線程,可以根據需要創建成千上萬個goroutine，每個goroutine占用內存大小會根據需要動態生成,典型的大小為2kB可以按需求放大到1GB，在go語言中一次可以輕松創建十萬左右的goroutine,並且不依賴運行環境。

②高並發為什麼是Go語言強項？

1.歷史背景

Go語言產生較晚,在其產生之前就已經有瞭多核cpu，所以設計者的理念就是將這門新的語言使用到多核cpu上支持更大數量級的並發

2.自身原因

    Go語言多並發底層實現使用的是協程,他占有更少的資源具有更快的執行速度,占用的資源還會根據 任務量進行擴大或者縮小

③Go語言實現高並發底層GMP模型原理解析

1. G：
G是Goroutine的縮寫，在這裡就是Goroutine的控制結構，是對Goroutine的抽象。其中包括執行的函數指令及參數；G保存的任務對象；線程上下文切換，現場保護和現場恢復需要的寄存器(SP、IP)等信息。在 Go 語言中使用 runtime.g 結構表示。

2. M:

表示操作系統線程也可以稱為內核線程，由操作系統調度以及管理，調度器最多可以創建 10000 個線程，在 Go 語言中使用 runtime.m 結構表示。（用戶線程與內核線程的映射關系）

3. P:

調度各個goroutine，使他們之間協調運行邏輯處理器，但不代表真正的CPU的數量，真正決定並發程度的是P，初始化的時候一般會去讀取GOMAXPROCS對應的值，如果沒有顯示設置，則會讀取默認值，在Go1.5之後GOMAXPROCS被默認設置可用的核數，而之前則默認為1，在 Go 語言中使用 runtime.p 結構表示。

4.指定cpu線程個數

通過runtime.GOMAXPROCS()，可以指定P的個數,如果沒有指定則默認跑滿整個cpu

二、上代碼學會Go語言並發

①.開啟一個簡單的線程

    開啟線程使用go+函數，以下案例要認識到開啟多線程使用函數閉包可能會出現的問題

1.使用匿名函數開啟線程

//打印1-1000
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() {
            fmt.Println(i)
        }()
    }
//這裡使用瞭函數閉包
/*
打印結果
    995
    995
    995
    996
    996
    999
    1000
    1000
*/

2.出問題的原理：

匿名函數進行操作時會將當前環境內的變量進行閉包,由於啟動線程需要一定時間在啟動線程的時候i進行瞭改變所以打印的時候會有許多值相同

②.動態的關閉線程

1.為什麼需要進行動態的關閉線程？

    在Go語言中如果不進行動態的關閉線程,那麼有可能在子線程沒有執行結束主線程就結束瞭，那樣的話會有 程序安全隱患,所以主線程不可以直接結束,應作為後盾，直到所有線程都結束瞭才可以結束。

2.使用waitGroup

 waitGroup有三個方法常用：

  • waitGroup.Add（）：使用wait計數器記1次數//將創建的線程數傳進去
  •  waitGroup.Done（）：wait計數器減1(放在被開啟線程的函數內)
  • waitGroup.Wait（）：阻塞等待wait計數器值為零（放在主線程內）

defer是在函數主體執行完的時候執行的代碼（可理解為延時執行）

代碼如下：

package main

import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "sync"
    "time"
)
// 定義一個waitGroup結構體變量
var wg sync.WaitGroup

func f(i int) {
    // 等到函數執行完畢,會將waitGroup內的計數器減一
    defer wg.Done()
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(3)) * time.Second)
    fmt.Println(i)
}
func main() {
    for i := 0; i < 100; i++ {
        // 開啟一個線程就使用waitGroup記一次數
        wg.Add(1)
        go f(i)
    }
    // 阻塞等待waitGroup計數器為0
    wg.Wait()
    fmt.Println("hello")
}

總結：
Go語言的高並發奠定瞭其未來在高級語言中的地位,越來越多的用戶加入互聯網需要一個支持高並發語言的支持,億萬級電商秒殺,億萬級遊戲用戶同時在線都離不開這樣的語言,所以Go語言一直被遊戲後端、web後端項目開發者青睞。

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