进阶篇二：并发编程

一、认识并发

在并发编程之前，让我们先理清两个概念——「并发」与「并行」

并发和并行都有两件以上的事情一起进行，并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生，二并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生。Erlang 之父 Joe Armstrong 曾经用一张非常简单易懂的图解释了「并发」与「并行」的区别：

在操作系统原理中，对并发和并行有如下的介绍：

并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。

并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。

并行在多处理器系统中存在，而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在，并发能够在单处理器系统中存在是因为并发是并行的假象，并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只是要求程序假装同时执行多个操作（每个小时间片执行一个操作，多个操作快速切换执行）。

二、关键字goroutine

2.1进程、线程和协程之间的联系

在面对对象编程中，线程实现了并行的操作。线程一般是由进程在运行时创建无状态任务，其生命周期受到进程的控制。

进程、线程是操作系统的基本概念，协程是计算机高级语言的一个新特性。这些概念比较抽象，进入详细介绍前，先用一个简单的例子进行介绍，看完之后能对进程和线程有个非常直观的印象，这样也方便理解后文。

在有限的市场资源下，企业是资源分配的基本单位。企业中，一个员工等同于一个线程，员工成为企业独立调度的基本单位。企业为了降低用人成本，用机器取代可替换的工作，这些机器成为开销更小的线程（协程）。

进程（Process）是一个程序在一个数据中的一次动态执行过程，可以理解为“正在执行的程序”，它是CPU资源分配和调度的独立单位。进程由程序控制块（PCB）、程序段、数据段组成。我们编写的程序用来描述进程要完成的什么功能（what）以及如何完成（how）；程序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PCB来控制和管理进程，PCB是系统感知进程存在的唯一标志；数据段则是程序在执行过程中所需要使用的资源。进程的局限是在创建、撤销和切换时的开销比较大。

线程（Thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它是进程中的一个执行任务（控制单元），负责当前进程中程序的执行。线程又称为迷你进程，但是比进程更容易创建，也更容易撤销。在引入线程后，线程成为了独立调度的基本单位，进程仅是资源分配的基本单位。

协程（Goroutine，也称轻量线程）是Go语言特有的名词。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应用程序可以并发运行数千个Goroutines。

2.2协程的目的

在传统的J2EE系统中都是基于每个请求占用一个线程去完成完整的业务逻辑（包括事务）。所以系统的吞吐能力取决于每个线程的操作耗时。如遇到耗时的I/O行为，整个系统的吞吐能力会立刻下降，因为这个时候线程一直处于阻塞状态，如果线程很多的时候，会存在很多线程处于空闲状态（等待该线程执行完才能执行），造成了资源应用不彻底。

最常见的例子就是JDBC（它是同步阻塞的），这也是为什么很多人都说数据库是瓶颈的原因。这里的耗时其实是让CPU一直在等待I/O返回，说白了线程根本没有利用CPU去做运算，而是处于空转状态。而另外过多的线程，也会带来更多的上下文切换（ContextSwitch）开销。

对于上述问题，现阶段行业里的比较流行的解决方案之一就是单线程加上异步回调。其代表派是node.js以及Java里的新秀Vert.x。而协程的目的就是当出现长时间的I/O操作时，通过让出目前的协程调度，执行下一个任务的方式，来消除上下文切换的开销。

2.3协程的调度原理

相比其他语言，golang采用了MPG模型管理协程，更加高效，但是管理非常复杂。

• M：内核级线程
• G：代表一个goroutine
• P：Processor，处理器，用来管理和执行goroutine的。

G-M-P三者的关系与特点：
P的个数取决于设置的GOMAXPROCS，go新版本默认使用最大内核数，比如你有8核处理器，那么P的数量就是8。
M的数量和P不一定匹配，可以设置很多M，M和P绑定后才可运行，多余的M处于休眠状态。
P包含一个LRQ（Local Run Queue）本地运行队列，这里面保存着P需要执行的协程G的队列。
除了每个P自身保存的G的队列外，调度器还拥有一个全局的G队列GRQ（Global Run Queue），这个队列存储的是所有未分配的协程G。

2.4协程和线程的比较

三、关键字channel

看完了以上内容，我们知道协程是独立执行的，他们之间没有通信。协程间必须通过通信协调/同步他们的工作。协程可以使用共享变量来通信，但是在Go中不提倡这样做，因为这种方式给所有的共享内存的多线程都带来了困难。

在Go中通过一种特殊的类型管道（channel），一个可以用于发送类型化数据的管道，由其负责协程之间的通信，从而避开所有由共享内存导致的陷阱。这种通信的方式保证了同步性。数据在通道中进行传递：在任何给定时间，一个数据被设计为只有一个协程可以对其访问，所以不会发生数据竞争，数据的所有权（读写数据的能力）也因此被传递。

3.1管道的介绍

管道的本质是一种只能存储相同数据结构的队列，遵循先进先出原则；线程安全，多协程访问时，不需要加锁。

管道的声明：

var intChan chan int
var stringChan chan string
var mapChan chan map[int]string
var objectChan chan interface{}

var pChan chan *int

管道初始化：

intChan = make(chan int)
stringChan = make(chan string)
mapChan = make(chan map[int]string)
objectChan = make(chan interface{})
pChan = make(chan *int)

3.2通信操作符

通信操作符的是使用：

//流向通道（发送）
intChan <- 0
//表示：用通道 intChan 发送变量 0
//从通道流出（接收）
var temp = <- intChan 
//表示：变量 temp 从通道 intChan 接收数据

3.3代码用例

3.3.1判断指定范围内数字的奇偶性并顺序打印

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

func main() {
	A := make(chan bool, 1)
	B := make(chan bool)
	Exit := make(chan bool)
	max := 100

	go func() {

		for i := 1; i <= max; i++ {
			if ok := <-A; ok {
				//time.Sleep(time.Second)
				if i%2 == 0 {
					fmt.Println(i, "是偶数")
				}
				B <- true
			}
		}
	}()
	go func() {
		defer func() {
			close(Exit)
		}()

		for i := 1; i <= max; i++ {
			if ok := <-B; ok {
				if i%2 != 0 {
					fmt.Println(i, "是奇数")
				}
				A <- true
			}
		}
	}()

	A <- true
	<-Exit
}