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golang 并發(fā)編程之生產(chǎn)者消費(fèi)者詳解

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golang 最吸引人的地方可能就是并發(fā)了,無(wú)論代碼的編寫上,還是性能上面,golang 都有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)

學(xué)習(xí)一個(gè)語(yǔ)言的并發(fā)特性,我喜歡實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型,這個(gè)模型非常經(jīng)典,適用于很多的并發(fā)場(chǎng)景,下面我通過(guò)這個(gè)模型,來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下 golang 的并發(fā)編程

go 并發(fā)語(yǔ)法

協(xié)程 go

協(xié)程是 golang 并發(fā)的最小單元,類似于其他語(yǔ)言的線程,只不過(guò)線程的實(shí)現(xiàn)借助了操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),每次線程的調(diào)度都是一次系統(tǒng)調(diào)用,需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài),這是一項(xiàng)非常耗時(shí)的操作,因此一般的程序里面線程太多會(huì)導(dǎo)致大量的性能耗費(fèi)在線程切換上。而在 golang 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了這種調(diào)度,協(xié)程在這種調(diào)度下面的切換非常的輕量級(jí),成百上千的協(xié)程跑在一個(gè) golang 程序里面是很正常的事情

golang 為并發(fā)而生,啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程的語(yǔ)法非常簡(jiǎn)單,使用 go 關(guān)鍵字即可

go func () {
    // do something
}

同步信號(hào) sync.WaitGroup

多個(gè)協(xié)程之間可以通過(guò) sync.WaitGroup 同步,這個(gè)類似于 Linux 里面的信號(hào)量

var wg sync.WaitGroup  // 申明一個(gè)信號(hào)量
wg.Add(1)   // 信號(hào)量加一
wg.Done()   // 信號(hào)量減一
wg.Wait()   // 信號(hào)量為正時(shí)阻塞,直到信號(hào)量為0時(shí)被喚醒

通道 chan

通道可以理解為一個(gè)消息隊(duì)列,生產(chǎn)者往隊(duì)列里面放,消費(fèi)者從隊(duì)列里面取。通道可以使用 close 關(guān)閉

ic := make(chan int, 10)  // 申明一個(gè)通道
ic - 10        // 往通道里面放
i := - ic      // 從通道里面取
close(ic)       // 關(guān)閉通道

生產(chǎn)者消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)

定義產(chǎn)品類

這個(gè)產(chǎn)品類根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求定義

type Product struct {
    name  int
    value int
}

生產(chǎn)者

如果 stop 標(biāo)志不為 false,不斷地往通道里面放 product,完成之后信號(hào)量完成

func producer(wg *sync.WaitGroup, products chan- Product, name int, stop *bool) {
    for !*stop {
        product := Product{name: name, value: rand.Int()}
        products - product
        fmt.Printf("producer %v produce a product: %#v\n", name, product)
        time.Sleep(time.Duration(200+rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
    }
    wg.Done()
}

消費(fèi)者

不斷地從通道里面取 product,然后作對(duì)應(yīng)的處理,直到通道被關(guān)閉,并且 products 里面為空, for 循環(huán)才會(huì)終止,而這正是我們期望的

func consumer(wg *sync.WaitGroup, products -chan Product, name int) {
    for product := range products {
        fmt.Printf("consumer %v consume a product: %#v\n", name, product)
        time.Sleep(time.Duration(200+rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
    }
    wg.Done()
}

主線程

var wgp sync.WaitGroup
var wgc sync.WaitGroup
stop := false
products := make(chan Product, 10)
// 創(chuàng)建 5 個(gè)生產(chǎn)者和 5 個(gè)消費(fèi)者
for i := 0; i  5; i++ {
    go producer(wgp, products, i, stop)
    go consumer(wgc, products, i)
    wgp.Add(1)
    wgc.Add(1)
}
time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)
stop = true     // 設(shè)置生產(chǎn)者終止信號(hào)
wgp.Wait()      // 等待生產(chǎn)者退出
close(products) // 關(guān)閉通道
wgc.Wait()      // 等待消費(fèi)者退出

補(bǔ)充:Go并發(fā)編程--通過(guò)channel實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

概述

生產(chǎn)者消費(fèi)者模型是多線程設(shè)計(jì)的經(jīng)典模型,該模型被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)系統(tǒng)的多線程/進(jìn)程模型設(shè)計(jì)中。

本文介紹了Go語(yǔ)言中channel的特性,并通過(guò)Go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型。

channel的一些特性

在Go中channel是非常重要的協(xié)程通信的手段,channel是雙向的通道,通過(guò)channel可以實(shí)現(xiàn)協(xié)程間數(shù)據(jù)的傳遞,通過(guò)channel也可以實(shí)現(xiàn)協(xié)程間的同步(后面會(huì)有介紹)。

本文介紹的生產(chǎn)者消費(fèi)者模型主要用到了channel的以下特性:任意時(shí)刻只能有一個(gè)協(xié)程能夠?qū)hannel中某一個(gè)item進(jìn)行訪問(wèn)。

單生產(chǎn)者單消費(fèi)者模型

把生產(chǎn)者和消費(fèi)者都放到一個(gè)無(wú)線循環(huán)中,這個(gè)和我們的服務(wù)器端的任務(wù)處理非常相似。生產(chǎn)者不斷的向channel中放入數(shù)據(jù),而消費(fèi)者不斷的從channel中取出數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(打?。?/p>

由于生產(chǎn)者的協(xié)程不會(huì)退出,所以channel的寫入會(huì)永久存在,這樣當(dāng)channel中沒(méi)有放入數(shù)據(jù)時(shí),消費(fèi)者端將會(huì)阻塞,等待生產(chǎn)者端放入數(shù)據(jù)。

代碼的實(shí)現(xiàn)如下:

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
var ch1 chan int = make(chan int)
var bufChan chan int = make(chan int, 1000)
var msgChan chan int = make(chan int)
func sum(a int, b int) {
    ch1 - a + b
}
// write data to channel
func writer(max int) {
    for {
        for i := 0; i  max; i++ {  // 簡(jiǎn)單的向channel中放入一個(gè)整數(shù)
            bufChan - i
            time.Sleep(1 * time.Millisecond)  //控制放入的頻率
        }
    }
}
// read data fro m channel
func reader(max int) {
    for {
        r := -bufChan
        fmt.Printf("read value: %d\n", r)
    }
    // 通知主線程,工作結(jié)束了,這一步可以省略
    msgChan - 1
}
func testWriterAndReader(max int) {
    go writer(max)
    go reader(max)
    // writer 和reader的任務(wù)結(jié)束了,主線程會(huì)得到通知 
    res := -msgChan
    fmt.Printf("task is done: value=%d\n", res)
}
func main() {
    testWriterAndReader(100)
}

多生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

我們可以利用channel在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能有一個(gè)協(xié)程能夠訪問(wèn)其中的某一個(gè)數(shù)據(jù),的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型。由于channel具有這樣的特性,我們?cè)诜艛?shù)據(jù)和消費(fèi)數(shù)據(jù)時(shí)可以不需要加鎖。

package main
import (
    "time"
    "fmt"
    "os"
)
var ch1 chan int = make(chan int)
var bufChan chan int = make(chan int, 1000)
var msgChan chan string = make(chan string)
func sum(a int, b int) {
    ch1 - a + b
}
// write data to channel
func writer(max int) {
    for {
        for i := 0; i  max; i++ {
            bufChan - i
            fmt.Fprintf(os.Stderr, "%v write: %d\n", os.Getpid(), i)
            time.Sleep(10 * time.Millisecond)
        }
    }
}
// read data fro m channel
func reader(name string) {
    for {
        r := -bufChan
        fmt.Printf("%s read value: %d\n", name, r)
    }
    msgChan - name
}
func testWriterAndReader(max int) {
    // 開(kāi)啟多個(gè)writer的goroutine,不斷地向channel中寫入數(shù)據(jù)
    go writer(max)
    go writer(max)
    // 開(kāi)啟多個(gè)reader的goroutine,不斷的從channel中讀取數(shù)據(jù),并處理數(shù)據(jù)
    go reader("read1")
    go reader("read2")
    go reader("read3")
    // 獲取三個(gè)reader的任務(wù)完成狀態(tài)
    name1 := -msgChan
    name2 := -msgChan
    name3 := -msgChan
    fmt.Println("%s,%s,%s: All is done!!", name1, name2, name3)
}
func main() {
    testWriterAndReader(100)
}

輸出如下:

read3 read value: 0

80731 write: 0

80731 write: 0

read1 read value: 0

80731 write: 1

read2 read value: 1

80731 write: 1

read3 read value: 1

80731 write: 2

read2 read value: 2

80731 write: 2

... ...

總結(jié)

本文通過(guò)channel實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典的生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型,利用了channel的特性。但要注意,當(dāng)消費(fèi)者的速度小于生產(chǎn)者時(shí),channel就有可能產(chǎn)生擁塞,導(dǎo)致占用內(nèi)存增加,所以,在實(shí)際場(chǎng)景中需要考慮channel的緩沖區(qū)的大小。

設(shè)置了channel的大小,當(dāng)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)大于channel的容量時(shí),生產(chǎn)者將會(huì)阻塞,這些問(wèn)題都是要在實(shí)際場(chǎng)景中需要考慮的。

一個(gè)解決辦法就是使用一個(gè)固定的數(shù)組或切片作為環(huán)形緩沖區(qū),而非channel,通過(guò)Sync包的機(jī)制來(lái)進(jìn)行同步,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型,這樣可以避免由于channel滿而導(dǎo)致消費(fèi)者端阻塞。

但,對(duì)于環(huán)形緩沖區(qū)而言,可能會(huì)覆蓋老的數(shù)據(jù),同樣需要考慮具體的使用場(chǎng)景。關(guān)于環(huán)形緩沖區(qū)的原理和實(shí)現(xiàn),在分析Sync包的使用時(shí)再進(jìn)一步分析。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教。

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