Go的并發(fā)控制

在Go實(shí)際開發(fā)中，并發(fā)安全是老生常談的事情，在并發(fā)下，goroutine之間的存在數(shù)據(jù)資源等方面的競(jìng)爭(zhēng)。

為了保證數(shù)據(jù)一致性、防止死鎖等問(wèn)題的出現(xiàn)，在并發(fā)中需要使用一些方式來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制。

并發(fā)控制的目的是確保在多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的線程或進(jìn)程中，對(duì)共享資源的訪問(wèn)和操作能夠正確、有效地進(jìn)行，并且避免出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。

在Go中，可以通過(guò)以下幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制：

1、channel

channel通道主要用于于goroutine之間通信和同步的機(jī)制。通過(guò)使用channel，可以在不同的goroutine之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)和控制并發(fā)，以達(dá)到并發(fā)控制。

根據(jù)channel的類型，可以實(shí)現(xiàn)不同的并發(fā)控制效果：

無(wú)緩沖channel

當(dāng)使用make初始化時(shí)，不指定channel的容量大小，即初始化無(wú)緩沖channel；

當(dāng)發(fā)送方向無(wú)緩沖channel發(fā)送消息數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)送后channel的數(shù)據(jù)未被接收方獲取，則當(dāng)前goroutine會(huì)阻塞在發(fā)送語(yǔ)句中，直到有接收者準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)為止，即無(wú)緩沖通道要求發(fā)送操作和接收操作同時(shí)準(zhǔn)備好才能完成通信。這樣做是確保了發(fā)送和接收的同步，避免了數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不確定性。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {
    // 創(chuàng)建一個(gè)無(wú)緩沖通道
    ch := make(chan int)

    // 啟動(dòng)一個(gè) goroutine 接收數(shù)據(jù)
    go func() {
       time.Sleep(time.Second * 5)
       fmt.Println("等待接收數(shù)據(jù)")
       data := <-ch // 接收數(shù)據(jù)
       fmt.Println("接收到數(shù)據(jù):", data)
    }()

    fmt.Println("發(fā)送數(shù)據(jù)")
    // 發(fā)送數(shù)據(jù)，由于匿名函數(shù)goroutine睡眠，無(wú)緩沖通道內(nèi)數(shù)據(jù)沒(méi)有g(shù)oroutine接收，因此會(huì)阻塞。5s后被接收則繼續(xù)執(zhí)行
    ch <- 100 
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("程序結(jié)束")
}

• 在上述代碼中，創(chuàng)建了一個(gè)無(wú)緩沖通道 ch。然后在一個(gè)單獨(dú)的 goroutine 中啟動(dòng)了一個(gè)接收操作，等待從通道 ch 中接收數(shù)據(jù)。

• 接下來(lái)，在main goroutine中執(zhí)行發(fā)送操作，向通道 ch 發(fā)送數(shù)據(jù) 100。

• 由于無(wú)緩沖通道的特性，當(dāng)發(fā)送語(yǔ)句 ch <- 100 執(zhí)行時(shí)，由于沒(méi)有接收者準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)（單獨(dú)的goroutine處于5s睡眠），發(fā)送操作會(huì)被阻塞。

• 接收方的 goroutine 在接收數(shù)據(jù)之前會(huì)一直等待。

• 當(dāng)接收方的 goroutine 準(zhǔn)備好之后，發(fā)送操作完成，數(shù)據(jù)被成功發(fā)送并被接收方接收，然后程序繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)語(yǔ)句，打印出相應(yīng)的輸出。

需要注意的是，在使用無(wú)緩沖channel時(shí)，如果沒(méi)有接收者，發(fā)送操作將會(huì)永久阻塞，可能會(huì)導(dǎo)致死鎖，因此在使用無(wú)緩沖通道時(shí)，需要確保發(fā)送和接收操作能夠匹配。

有緩沖channel

當(dāng)使用make初始化時(shí)，可以指定channel的容量大小，即初始化有緩沖channel，通道的容量表示通道中最大能存放的元素?cái)?shù)量。

• 當(dāng)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)到有緩存channel時(shí)，如果緩沖區(qū)滿了，則發(fā)送方會(huì)被阻塞直到有緩沖空間可以接收這個(gè)消息數(shù)據(jù)；

• 當(dāng)接收方在有緩沖channel接收數(shù)據(jù)時(shí)，如果緩沖區(qū)為空，則接收方會(huì)被阻塞直到channel有數(shù)據(jù)可讀；

無(wú)論是緩存 channel 還是無(wú)緩沖 channel，都是并發(fā)安全的，即多個(gè) goroutine 可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要額外的同步機(jī)制。

但是，由于緩存 channel 具有緩存空間，因此在使用時(shí)需要特別注意緩存空間的大小，避免過(guò)度消耗內(nèi)存或者發(fā)生死鎖等問(wèn)題。

2、sync.WaitGroup

在sync包中，sync.WaitGroup可以在并發(fā)goroutine之間起到執(zhí)行屏障的效果。WaitGroup提供了用于創(chuàng)建多個(gè)goroutine時(shí)，能夠等待多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的代碼塊在達(dá)到WaitGroup顯示指定的同步條件后，才可以繼續(xù)執(zhí)行Wait的后續(xù)代碼。在使用sync.WaitGroup實(shí)現(xiàn)同步模式下，從而起到并發(fā)控制的效果。

在Go中，sync.WaitGroup類型提供了如下幾個(gè)方法：

示例：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

// 聲明全局等待組變量
var wg sync.WaitGroup

func printHello() {
    fmt.Println("Hello World")
    wg.Done() // 完成一個(gè)任務(wù)后，調(diào)用Done()方法，等待組減1，告知當(dāng)前goroutine已經(jīng)完成任務(wù)
}

func main() {
    wg.Add(1) // 等待組加1，表示登記一個(gè)goroutine
    go printHello()
    fmt.Println("main")
    wg.Wait() // 阻塞當(dāng)前goroutine，直到等待組中的所有g(shù)oroutine都完成任務(wù)
}

// 執(zhí)行結(jié)果
main
Hello World

3、sync.Mutex

sync.Mutex 是 Go 語(yǔ)言中的一個(gè)互斥鎖（Mutex）類型，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)。

互斥鎖是一種常見的并發(fā)控制機(jī)制，它能夠確保在同一時(shí)刻只有一個(gè) goroutine 可以訪問(wèn)被保護(hù)的資源，從而避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不確定的結(jié)果。

互斥鎖的作用可以有以下幾個(gè)方面：

• 保護(hù)共享資源：當(dāng)多個(gè) goroutine并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí)，通過(guò)使用互斥鎖可以限制只有一個(gè) goroutine 可以訪問(wèn)共享資源，從而避免競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題。
• 實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)：互斥鎖可以將一段代碼標(biāo)記為臨界區(qū)，只有獲取了鎖的 goroutine 才能執(zhí)行該臨界區(qū)的代碼，其他 goroutine 則需要等待解鎖，才能夠訪問(wèn)臨界區(qū)內(nèi)的代碼塊。

互斥鎖的基本使用方式是，通過(guò)調(diào)用 Lock() 方法獲取鎖，執(zhí)行臨界區(qū)代碼，然后調(diào)用 Unlock() 方法釋放鎖。在獲取鎖之后，其他 goroutine 將會(huì)被阻塞，直到當(dāng)前 goroutine 釋放鎖為止。Lock() 方法與Unlock() 底層的實(shí)現(xiàn)原理是使用原子操作來(lái)維護(hù)Mutex的state狀態(tài)。

sync.Mutex中，除了最基本的互斥鎖外，還提供讀寫鎖，在讀多寫少的場(chǎng)景下，相比互斥鎖性能上能夠有所提升。

channel 與 Mutex 對(duì)比例子

在自增操作x++中，該操作并非原子操作，因此在多個(gè)goroutine對(duì)全局變量x進(jìn)行自增時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋的情況，因此可以通過(guò)一些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制，例如channel、互斥鎖、原子操作。

可以對(duì)比一下channel與互斥鎖在實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制時(shí)的執(zhí)行時(shí)間：

• 使用channel

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var x int64
var wg sync.WaitGroup

func main() {
    startTime := time.Now()
    ch := make(chan struct{}, 1)

    for i := 0; i < 10000; i++ {
       wg.Add(1)
       go func() {
          defer wg.Done()
          ch <- struct{}{}
          x++
          <-ch
       }()
    }
    wg.Wait()
    endTime := time.Now()
    fmt.Println(x)                      // 10000
    fmt.Println(endTime.Sub(startTime)) // 6.2933ms
}

• 使用Mutex

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var x int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func main() {
    startTime := time.Now()
    for i := 0; i < 10000; i++ {
       wg.Add(1)
       go func() {
          defer wg.Done()
          lock.Lock()
          x++
          lock.Unlock()
       }()
    }
    wg.Wait()
    endTime := time.Now()
    fmt.Println(x)                      // 10000
    fmt.Println(endTime.Sub(startTime)) // 3.0835ms
}

可以對(duì)比兩種方法的執(zhí)行時(shí)間，在啟動(dòng)10000個(gè)goroutine執(zhí)行10000次全局變量x++時(shí)，channel實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制全局變量x++的執(zhí)行時(shí)間為6.2933ms（存在波動(dòng)），而使用Mutex提供的互斥鎖實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制全局變量x++的執(zhí)行時(shí)間為3.0835ms（存在波動(dòng)），大約在兩倍左右，這是為什么呢？

原因在于channel的操作涉及到**goroutine之間的調(diào)度和上下文的切換**，而互斥鎖底層使用了Go的原子操作，執(zhí)行時(shí)間較短，因?yàn)榛コ怄i的操作相對(duì)輕量，不涉及goroutine的調(diào)度以及上下文的切換。

在開發(fā)過(guò)程中，選擇使用通道還是互斥鎖取決于具體的場(chǎng)景與需求，并不是一定說(shuō)使用鎖就好，需要根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行選擇。如果需要更細(xì)粒度的控制和更高的并發(fā)性能，可以優(yōu)先考慮使用互斥鎖。

4、atomic原子操作

Go語(yǔ)言提供了原子操作用于對(duì)內(nèi)存中的變量進(jìn)行同步訪問(wèn)，避免了多個(gè)goroutine同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)可能產(chǎn)生的競(jìng)態(tài)條件。

sync/atomic包提供了原子加操作、比較并交換等方法提供一系列原子操作，這些方法利用底層的原子指令，確保對(duì)內(nèi)存中的變量進(jìn)行原子級(jí)別的訪問(wèn)和修改，從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
)

var x int64
var wg sync.WaitGroup

// 使用原子操作
func atomicAdd() {
    atomic.AddInt64(&x, 1)
    wg.Done()
}

func main() {
    for i := 0; i < 10000; i++ {
       wg.Add(1)
       go atomicAdd() // 原子操作add函數(shù)
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println(x) // 10000
}

一些常用的原子操作函數(shù)：

• Add函數(shù)：AddInt32、AddInt64、AddUint32、AddUint64等方法，用于對(duì)變量進(jìn)行原子加操作。
• CompareAndSwap函數(shù)：CompareAndSwapInt32、CompareAndSwapInt64、CompareAndSwapUint32、CompareAndSwapUint64等，用于比較并交換操作，當(dāng)舊值等于給定值時(shí)，將新值賦值到指定地址中。
• Load函數(shù)：LoadInt32、LoadInt64、LoadUint32、LoadUint64等，用于加載操作，返回指定地址中存儲(chǔ)的值。
• Store函數(shù)：StoreInt32、StoreInt64、StoreUint32、StoreUint64等，用于存儲(chǔ)操作，將給定的值存儲(chǔ)到指定地址中。
• Swap函數(shù)：SwapInt32、SwapInt64、SwapUint32、SwapUint64等，用于交換操作，將指定地址中存儲(chǔ)的值和給定的值進(jìn)行交換，并返回原值。

以上就是Go中并發(fā)控制的實(shí)現(xiàn)方式總結(jié)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Go并發(fā)控制實(shí)現(xiàn)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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