Go学习第十一章——协程goroutine与管道channel

1 协程goroutine

1.1 基本介绍

前置知识：“进程和线程”，“并发与并行”

1. 协程的概念

协程（Coroutine）是一种用户态的轻量级线程，不同于操作系统线程，协程能够在单个线程中实现多任务并发，使用更少的系统资源。协程的运行由程序控制，不需要操作系统介入，因此协程之间的切换更加快速。

2. Go语言中的协程

在Go语言中，协程被称为“Goroutine”，是一种轻量级的线程。与操作系统线程不同，Go语言的Goroutine只需要几kb的内存，并且可以很容易地创建数千个Goroutine，因为它们由Go运行时（Goruntime）自动管理。

Go协程和Go主线程

1. Go主线程（有程序员直接称为线程/也可以理解成进程）：一个Go线程上，可以起多个协程，你可以这样理解，协程是轻量级的线程[编译器做优化]。
2. Go协程的特点：

• 有独立的栈空间
• 共享程序堆空间
• 调度由用户控制
• 协程是轻量级的线程

1.2 快速入门

案例说明：

1. 在主线程(可以理解成进程)中，开启一个goroutine，该协程每隔1秒输出 “hello，world”。
2. 在主线程中也每隔一秒输出"hello,golang"，输出10次后，退出程序。
3. 要求主线程和goroutine同时执行。

func test() {
	for i := 1; i < 10; i++ {
		fmt.Println("协程 test() hello, world" + strconv.Itoa(i))
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

func main() {

	// 开启协程
	go test()

	for i := 1; i < 10; i++ {
		fmt.Println("主线程 main() hello, world" + strconv.Itoa(i))
		time.Sleep(time.Second)
	}
}

输出结果：

主线程 main() hello, world1
协程 test() hello, world1
协程 test() hello, world2
主线程 main() hello, world2
主线程 main() hello, world3
协程 test() hello, world3
略。。。

从输出结果就可以看出来，这两个是交替输出的，就是并发执行~

小结：

1. 主线程是一个物理线程，直接作用在cpu上的，是重量级的，非常消费cpu资源。

2. 协程从主线程开启的，是轻量级的线程，是逻辑态。对资源消耗相对较小。

3. Golang的协程机制是重要的特点，可以轻松的开启上万个协程。其他编程语言的并发机制是一般基于线程的，开启过多的线程，资源消费大，这里就突显Golang在并发上的优势了。

1.3 调度模型：MPG模式介绍

这里只是简单的讲一下，具体可以去网上找找文章

1. M：操作系统的主线程（是物理线程）
2. P：协程执行需要的上下文（需要的资源等）
3. G：协程

状态一：

状态二：

1.4 设置cpu数

介绍：为了充分的利用多cpu的优势，在Golang程序中，设置运行的cpu数目。

使用的函数：func NumCPU

功能：NumCPU返回本地机器的逻辑CPU个数。

函数的代码如下：

func NumCPU() int

使用案例：

func main() {
	// 获取当前系统cpu的数量
	num := runtime.NumCPU()
	// 我这里设置num-1的cpu运行go程序
	runtime.GOMAXPROCS(num)
	fmt.Println("num=", num)
}

输出结果：num= 16

1. go 1.8 后，默认让程序运行在多个核上，可以不用设置了。
2. go 1.8 前，还是要设置一下，可以更新的利用cpu。

1.5 协程资源竞争问题

**需求：**现在要计算1-200的各个数的阶乘，并且把各个数的阶乘放入到map中。最后显示出来。要求使用goroutine完成。

分析思路：

1. 使用goroutine来完成，效率搞，但是会出现并发/并行安全问题。
2. 这里就提出了不同goroutine如何通信的问题。

代码实现：

1. 使用goroutine来完成（看看使用gorotine并发完成会出现什么问题？然后我们会去解决）
2. 在运行某个程序是，如何知道是否存在资源竞争问题。方法很简单，在编译该程序时，增加一个参数 -race即可。

思路

1. 编写一个函数，来计算各个数的阶乘，并放入到 map中。
2. 我们启动的协程多个，统计的将结果放入到 map中。
3. map 应该做出一个全局的。

初步代码：

var (
	myMap = make(map[int]int, 10)
)

// test 函数就是计算 n!, 让将这个结果放入到 myMap
func test(n int) {

	res := 1
	for i := 1; i <= n; i++ {
		res *= i
	}
}

func main() {

	// 我们这里开启多个协程完成这个任务[200个]
	for i := 1; i <= 20; i++ {
		go test(i)
	}

	//我们输出结果，变量这个
	for i, v := range myMap {
		fmt.Printf("map[%d]=%d\n", i, v)
	}
}

输出结果：无？？？什么都没有？？为啥呢？因为主线程提前结束了，在协程结束前结束了，就什么都没有！！

下一步：我们让主线程休眠10秒钟

添加代码：

//休眠10秒钟【第二个问题 】
time.Sleep(time.Second * 5)

再运行，会发现竟然报错了：

也就是报错显示，恐怖错误，并发向协程做了写操作。

为啥？

因为，map是不安全的，也就是，200个线程同时向map里面写操作，导致并发问题。

所以现在有两个问题：

1. map是不安全的，导致并发问题。
2. 主线程休眠时间无法确定。

1.6 解决协程并发方案

1. 声明一个全局的互斥锁，当第一个线程进行写操作，其他的线程没办法进去操作并且进入一个队列(数据结构)进行排队。

var (
	myMap = make(map[int]int, 10)
	//声明一个全局的互斥锁
	//lock 是一个全局的互斥锁，
	//sync 是包: synchornized 同步
	//Mutex : 是互斥
	lock sync.Mutex
)

func test(n int) {

	res := 1
	for i := 1; i <= n; i++ {
		res *= i
	}

	//这里我们将 res 放入到myMap
	//加锁
	lock.Lock()
	myMap[n] = res //concurrent map writes?
	//解锁
	lock.Unlock()
}

func main() {

	// 我们这里开启多个协程完成这个任务[200个]
	for i := 1; i <= 20; i++ {
		go test(i)
	}
	
	//这里我们输出结果,变量这个结果
	lock.Lock()
	for i, v := range myMap {
		fmt.Printf("map[%d]=%d\n", i, v)
	}
	lock.Unlock()
}

输出结果：会发现没有问题~~

2 管道channel

虽然上面的方式解决了这个问题，但是不够完美，包括官方也说了，加锁是比较低级的做法，所以就引出了管道。

为什么需要channel

1. 前面使用全局变量加锁同步来解决goroutine的通讯，但不完美

2. 主线程在等待所有goroutine全部完成的时间很难确定，我们这里设置10秒，仅仅是估算。

3. 如果主线程休眠时间长了，会加长等待时间，如果等待时间短了，可能还有goroutine处于工作状态，这时也会随主线程的退出而销毁

4. 通过全局变量加锁同步来实现通讯，也并不利用多个协程对全局变量的读写操作。

5. 上面种种分析都在呼唤一个新的通讯机制-channel

2.1 基本介绍

1. chanel 本质就是一个数据结构-队列
2. 数据是先进先出【FIFO】
3. 线程安全，多goroutine 访问时，不需要加锁，就是说channel 本身就是线程安全的。
4. channel 有类型的，一个 string 的channel 只能存放string类型数据。

2.2 快速入门

定义/声明channel

var 变量名 chen 数据类型

说明：

1. channel是引用类型
2. channel必须初始化才能写入数据，即make后才能使用。
3. 管道是有类型的，intChan 只能写入整数int

案例入门：

func main() {

    //演示一下管道的使用
    //1. 创建一个可以存放3个int类型的管道
    var intChan chan int
    intChan = make(chan int, 3)

    //2. 看看intChan是什么
    fmt.Printf("intChan 的值=%v intChan本身的地址=%p\n", intChan, &intChan)
}

输出结果：

intChan 的值=0xc000014700 intChan本身的地址=0xc00005e020

下面我们试一下向管道写入数据和读取数据

func main() {

	//演示一下管道的使用
	//1. 创建一个可以存放3个int类型的管道
	var intChan chan int
	intChan = make(chan int, 3)

	//2. 看看intChan是什么
	fmt.Printf("intChan 的值=%v intChan本身的地址=%p\n", intChan, &intChan)

	//3. 向管道写入数据
	intChan<- 10
	num := 211
	intChan<- num
	intChan<- 50
	// //如果从channel取出数据后，可以继续放入
	<-intChan
	intChan<- 98//注意点, 当我们给管写入数据时，不能超过其容量


	//4. 看看管道的长度和cap(容量)
	fmt.Printf("channel len= %v cap=%v \n", len(intChan), cap(intChan)) // 3, 3

	//5. 从管道中读取数据

	var num2 int
	num2 = <-intChan
	fmt.Println("num2=", num2)
	fmt.Printf("channel len= %v cap=%v \n", len(intChan), cap(intChan))  // 2, 3

	//6. 在没有使用协程的情况下，如果我们的管道数据已经全部取出，再取就会报告 deadlock

	num3 := <-intChan
	num4 := <-intChan

	//num5 := <-intChan

	fmt.Println("num3=", num3, "num4=", num4/*, "num5=", num5*/)
}

输出结构：

intChan 的值=0xc000014700 intChan本身的地址=0xc00005e020
channel len= 3 cap=3
num2= 211
channel len= 2 cap=3
num3= 50 num4= 98

2.3 管道的关闭和遍历

channel的关闭

使用内置函数close可以关闭chanel，当channel关闭后，就不能再向channel写数据了，但是仍让可以从该channel读数据。

channel的遍历

channel支持for-range的方式进行遍历，请注意两个心结

1. 在遍历时，如果channel没有关闭，则会出现deadlock的错误。
2. 在遍历时，如果channel已经关闭，则会正常遍历数据，遍历完后，就会退出遍历。

代码演示：

func main() {

    intChan := make(chan int, 3)
    intChan <- 100
    intChan <- 200
    close(intChan) // close
    //这是不能够再写入数到channel
    //intChan<- 300
    fmt.Println("okook~")
    //当管道关闭后，读取数据是可以的
    n1 := <-intChan
    fmt.Println("n1=", n1)

    //遍历管道
    intChan2 := make(chan int, 100)
    for i := 0; i < 10; i++ {
       intChan2 <- i * 2 //放入10个数据到管道
    }

    //遍历管道不能使用普通的 for 循环
    // for i := 0; i < len(intChan2); i++ {

    // }
    //在遍历时，如果channel没有关闭，则会出现deadlock的错误
    //在遍历时，如果channel已经关闭，则会正常遍历数据，遍历完后，就会退出遍历
    close(intChan2)
    for v := range intChan2 {
       fmt.Println("v=", v)
    }
}

输出结果：

okook~
n1= 100
v= 0   
v= 2   
v= 4   
v= 6   
后面略~~~

2.4 管道和协程的结合

需求:
要求统计 1-80000 的数字中，哪些是素数?

下面是思路分析图：

1. 创建一个管道intChan，用来存这8000个数，设置容量1000
2. 创建一个协程，将1到8000放到这个inChan管道里
3. 创建一个管道primeChan，用来储存素数，只要是素数都存进来
4. 创建四个协程，从inChan管道里取数，并计算受否为素数，如果是素数就放到primeChan里
5. 那怎么确认协程传输完毕，然后把管道关掉？
6. 创建一个管道exitChan，这里是四个协程，那就容量为4
7. 当这四个协程取不到数的时候，就会向exitChan管道，传一个True，表示结束
8. 主线程进行一个循环取exitChan，当取出来的数达到四个的时候，就关闭，这两个管道

package main

import (
	"fmt"
	"time"
)

// 向 intChan放入 1-100个数
func putNum(intChan chan int) {

	for i := 1; i <= 100; i++ {
		intChan <- i
	}

	//关闭intChan
	close(intChan)
}

// 从 intChan取出数据，并判断是否为素数,如果是，就
//
//	//放入到primeChan
func primeNum(intChan chan int, primeChan chan int, exitChan chan bool) {

	//使用for 循环
	// var num int
	var flag bool //
	for {
		//time.Sleep(time.Millisecond * 10)
		num, ok := <-intChan //intChan 取不到..

		if !ok {
			break
		}
		flag = true //假设是素数
		//判断num是不是素数
		for i := 2; i < num; i++ {
			if num%i == 0 { //说明该num不是素数
				flag = false
				break
			}
		}

		if flag {
			//将这个数就放入到primeChan
			primeChan <- num
		}
	}

	fmt.Println("有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出")
	//这里我们还不能关闭 primeChan
	//向 exitChan 写入true
	exitChan <- true
}

func main() {

	intChan := make(chan int, 100)
	primeChan := make(chan int, 100) //放入结果
	//标识退出的管道
	exitChan := make(chan bool, 8) // 4个

	start := time.Now().Unix()

	//开启一个协程，向 intChan放入 1-8000个数
	go putNum(intChan)
	//开启4个协程，从 intChan取出数据，并判断是否为素数,如果是，就
	//放入到primeChan
	for i := 0; i < 8; i++ {
		go primeNum(intChan, primeChan, exitChan)
	}

	//这里我们主线程，进行处理
	//直接
	go func() {
		for i := 0; i < 8; i++ {
			<-exitChan
		}

		end := time.Now().Unix()
		fmt.Println("使用协程耗时=", end-start)

		//当我们从exitChan 取出了4个结果，就可以放心的关闭 prprimeChan
		close(primeChan)
	}()
	res := make([]int, 0)
	//遍历我们的 primeChan ,把结果取出
	for {
		data, ok := <-primeChan
		if !ok {
			break
		}
		res = append(res, data)
	}
	fmt.Printf("100的素数有: %v个，分别是：%v \n", len(res), res)
	fmt.Println("main线程退出")
}

输出结果：

有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
有一个primeNum 协程因为取不到数据，退出
使用协程耗时= 0
100的素数有: 26个，分别是：[1 2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97]
main线程退出

补充：这里用了一个记录协程消耗时间的方法

start := time.Now().Unix()
end := time.Now().Unix()
fmt.Println("使用协程耗时=", end-start)

补充知识：管道阻塞

在使用channel通道进行数据传递时，接收方从通道中获取数据的操作可以是阻塞的。具体来说，有以下几种情况会导致接收方的操作阻塞：

1. 通道中没有可用的数据：当接收方尝试从一个没有数据的通道中获取数据时，它将被阻塞，等待通道中有数据可供接收。
2. 通道中没有发送者：如果通道已经关闭，并且没有任何Goroutine发送数据到该通道，接收方将永久地阻塞在接收操作中。
3. 通道中发送数据速度过慢：如果接收方的处理速度快于发送方的发送速度，那么接收方在获取到一条数据后，等待一段时间后可能会发现再次从通道中获取的数据仍然不可用，因此接收方将再次被阻塞。
4. 管道未关闭进行遍历操作：在遍历通道时，如果通道没有被关闭，并且发送方没有向通道发送数据，接收方的遍历操作会被阻塞。

需要注意的是，当通道被阻塞时，程序的执行仍然会继续，只是被阻塞的Goroutine会暂停执行，直到满足接收操作的条件。

2.5 声明 只读/只写 的管道

channel可以声明为只读，或者只写性质。

var chan1 chan<- int // 声明为只写
var chan2 <-chan int// 声明为只写

注意：如果在一个协程里传入了一个管道，并且设置它只读只写，那么，因为作用域，就只在这个协程里面是属于只读只写的情况，可以防止一下误操作。

2.6 select解决管道堵塞

使用select可以解决从管道取数据的阻塞问题

案例代码，自学理解：

func main() {
    //使用select可以解决从管道取数据的阻塞问题

    //1.定义一个管道 10个数据int
    intChan := make(chan int, 10)
    for i := 0; i < 10; i++ {
       intChan <- i
    }
    //2.定义一个管道 5个数据string
    stringChan := make(chan string, 5)
    for i := 0; i < 5; i++ {
       stringChan <- "hello" + fmt.Sprintf("%d", i)
    }

    //传统的方法在遍历管道时，如果不关闭会阻塞而导致 deadlock

    //问题，在实际开发中，可能我们不好确定什么关闭该管道.
    //可以使用select 方式可以解决
    //label:
    for {
       select {
       //注意: 这里，如果intChan一直没有关闭，不会一直阻塞而deadlock
       //，会自动到下一个case匹配
       case v := <-intChan:
          fmt.Printf("从intChan读取的数据%d\n", v)
          time.Sleep(time.Second)
       case v := <-stringChan:
          fmt.Printf("从stringChan读取的数据%s\n", v)
          time.Sleep(time.Second)
       default:
          fmt.Printf("都取不到了，不玩了, 程序员可以加入逻辑\n")
          time.Sleep(time.Second)
          return
          //break label
       }
    }
}

这样就能够解决啦~~~

2.7 recover解决程序崩溃

**说明：**如果我们起了一个协程，但是这个协程出现了panic，如果我们没有捕获这个panic，就会早晨整个程序崩溃，这时我，1可以砸爱goroutine中使用recover来捕获panic，进行处理，这样即使这个协程发生了问题，但是主线程仍然不受影响，可以继续执行。

// 函数
func sayHello() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
       time.Sleep(time.Second)
       fmt.Println("hello,world")
    }
}

// 函数
func test() {
    //这里我们可以使用defer + recover
    defer func() {
       //捕获test抛出的panic
       if err := recover(); err != nil {
          fmt.Println("test() 发生错误", err)
       }
    }()
    //定义了一个map
    var myMap map[int]string
    myMap[0] = "golang" //error
}

func main() {

    go sayHello()
    go test()

    for i := 0; i < 10; i++ {
       fmt.Println("main() ok=", i)
       time.Sleep(time.Second)
    }

}

输出结果：

main() ok= 0
test() 发生错误 assignment to entry in nil map
main() ok= 1
hello,world
hello,world
main() ok= 2
略~~~

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