Golang并发：除了channel，你还有其余选择

时间 2019-11-06

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咱们都知道Golang并发优选channel，但channel不是万能的，Golang为咱们提供了另外一种选择：sync。经过这篇文章，你会了解sync包最基础、最经常使用的方法，至于sync和channel之争留给下一篇文章。git

sync包提供了基础的异步操做方法，好比互斥锁（Mutex）、单次执行（Once）和等待组（WaitGroup），这些异步操做主要是为低级库提供，上层的异步/并发操做最好选用通道和通讯。github

sync包提供了：golang

Mutex：互斥锁
RWMutex：读写锁
WaitGroup：等待组
Once：单次执行
Cond：信号量
Pool：临时对象池
Map：自带锁的map

这篇文章是sync包的入门文章，因此只介绍经常使用的结构和方法：Mutex、RWMutex、WaitGroup、Once，而Cond、Pool和Map留给你们自行探索，或有需求再介绍。bash

互斥锁

常作并发工做的朋友对互斥锁应该不陌生，Golang里互斥锁须要确保的是某段时间内，不能有多个协程同时访问一段代码（临界区）。微信

互斥锁被称为Mutex，它有2个函数，Lock()和Unlock()分别是获取锁和释放锁，以下：并发

type Mutex
func (m *Mutex) Lock(){}
func (m *Mutex) Unlock(){}

Mutex的初始值为未锁的状态，而且Mutex一般做为结构体的匿名成员存在。less

通过了上面这么“官方”的介绍，举个例子：你在工商银行有100元存款，这张卡绑定了支付宝和微信，在中午12点你用支付宝支付外卖30元，你在微信发红包，抢到10块。银行须要按顺序执行上面两件事，先减30再加10或者先加10再减30，结果都是80，但若是同时执行，结果多是，只减了30或者只加了10，即你有70元或者你有110元。前一个结果是你赔了，后一个结果是银行赔了，银行可不但愿把这种事算错。异步

看看实际使用吧：建立一个银行，银行里存每一个帐户的钱，存储查询都加了锁操做，这样银行就不会算错帐了。
银行的定义：函数

type Bank struct {
    sync.Mutex
    saving map[string]int // 每帐户的存款金额
}

func NewBank() *Bank {
    b := &Bank{
        saving: make(map[string]int),
    }
    return b
}

银行的存取钱：测试

// Deposit 存款
func (b *Bank) Deposit(name string, amount int) {
    b.Lock()
    defer b.Unlock()

    if _, ok := b.saving[name]; !ok {
        b.saving[name] = 0
    }
    b.saving[name] += amount
}

// Withdraw 取款，返回实际取到的金额
func (b *Bank) Withdraw(name string, amount int) int {
    b.Lock()
    defer b.Unlock()

    if _, ok := b.saving[name]; !ok {
        return 0
    }
    if b.saving[name] < amount {
        amount = b.saving[name]
    }
    b.saving[name] -= amount

    return amount
}

// Query 查询余额
func (b *Bank) Query(name string) int {
    b.Lock()
    defer b.Unlock()

    if _, ok := b.saving[name]; !ok {
        return 0
    }

    return b.saving[name]
}

模拟操做：小米支付宝存了100，而且同时花了20。

func main() {
    b := NewBank()
    go b.Deposit("xiaoming", 100)
    go b.Withdraw("xiaoming", 20)
    go b.Deposit("xiaogang", 2000)

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Printf("xiaoming has: %d\n", b.Query("xiaoming"))
    fmt.Printf("xiaogang has: %d\n", b.Query("xiaogang"))
}

结果：先存后花。

➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run mutex.go
xiaoming has: 80
xiaogang has: 2000

也多是：先花后存，由于先花20，由于小明没钱，因此没花出去。

➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run mutex.go
xiaoming has: 100
xiaogang has: 2000

这个例子只是介绍了mutex的基本使用，若是你想多研究下mutex，那就去个人Github（阅读原文）下载下来代码，本身修改测试。Github中还提供了没有锁的例子，运行屡次总能碰到错误：

fatal error: concurrent map writes
这是因为并发访问map形成的。

读写锁

读写锁是互斥锁的特殊变种，若是是计算机基本知识扎实的朋友会知道，读写锁来自于读者和写者的问题，这个问题就不介绍了，介绍下咱们的重点：读写锁要达到的效果是同一时间能够容许多个协程读数据，但只能有且只有1个协程写数据。

也就是说，读和写是互斥的，写和写也是互斥的，但读和读并不互斥。具体讲，当有至少1个协程读时，若是须要进行写，就必须等待全部已经在读的协程结束读操做，写操做的协程才得到锁进行写数据。当写数据的协程已经在进行时，有其余协程须要进行读或者写，就必须等待已经在写的协程结束写操做。

读写锁是RWMutex，它有5个函数，它须要为读操做和写操做分别提供锁操做，这样就4个了：

Lock()和Unlock()是给写操做用的。
RLock()和RUnlock()是给读操做用的。

RLocker()能获取读锁，而后传递给其余协程使用。使用较少。

type RWMutex
func (rw *RWMutex) Lock(){}
func (rw *RWMutex) RLock(){}
func (rw *RWMutex) RLocker() Locker{}
func (rw *RWMutex) RUnlock(){}
func (rw *RWMutex) Unlock(){}

上面的银行实现不合理：你们都是拿手机APP查余额，能够同时几我的一块儿查呀，这根本不影响，银行的锁能够换成读写锁。存、取钱是写操做，查询金额是读操做，代码修改以下，其余不变：

type Bank struct {
    sync.RWMutex
    saving map[string]int // 每帐户的存款金额
}

// Query 查询余额
func (b *Bank) Query(name string) int {
    b.RLock()
    defer b.RUnlock()

    if _, ok := b.saving[name]; !ok {
        return 0
    }

    return b.saving[name]
}

func main() {
    b := NewBank()
    go b.Deposit("xiaoming", 100)
    go b.Withdraw("xiaoming", 20)
    go b.Deposit("xiaogang", 2000)

    time.Sleep(time.Second)
    print := func(name string) {
        fmt.Printf("%s has: %d\n", name, b.Query(name))
    }

    nameList := []string{"xiaoming", "xiaogang", "xiaohong", "xiaozhang"}
    for _, name := range nameList {
        go print(name)
    }

    time.Sleep(time.Second)
}

结果，可能不同，由于协程都是并发执行的，执行顺序不固定：

➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run rwmutex.go
xiaohong has: 0
xiaozhang has: 0
xiaogang has: 2000
xiaoming has: 100

等待组

互斥锁和读写锁大多数人可能比较熟悉，而对等待组（WaitGroup）可能就不那么熟悉，甚至有点陌生，因此先来介绍下等待组在现实中的例子。

大家团队有5我的，你做为队长要带领你们打开藏有宝藏的箱子，但这个箱子须要4把钥匙才能同时打开，你把寻找4把钥匙的任务，分配给4个队员，让他们分别去寻找，而你则守着宝箱，在这等待，等他们都找到回来后，一块儿插进钥匙打开宝箱。

这其中有个很重要的过程叫等待：等待一些工做完成后，再进行下一步的工做。若是使用Golang实现，就得使用等待组。

等待组是WaitGroup，它有3个函数:

Add()：在被等待的协程启动前加1，表明要等待1个协程。
Done()：被等待的协程执行Done，表明该协程已经完成任务，通知等待协程。
Wait(): 等待其余协程的协程，使用Wait进行等待。

type WaitGroup
func (wg *WaitGroup) Add(delta int){}
func (wg *WaitGroup) Done(){}
func (wg *WaitGroup) Wait(){}

来，一块儿看下怎么用WaitGroup实现上面的问题。

队长先建立一个WaitGroup对象wg，每一个队员都是1个协程，队长让队员出发前，使用wg.Add()，队员出发寻找钥匙，队长使用wg.Wait()等待（阻塞）全部队员完成，某个队员完成时执行wg.Done()，等全部队员找到钥匙，wg.Wait()则返回，完成了等待的过程，接下来就是开箱。

结合以前的协程池的例子，修改为WG等待协程池协程退出，实例代码：

func leader() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(4)
    for i := 0; i < 4; i++ {
        go follower(&wg, i)
    }
    wg.Wait()
    
    fmt.Println("open the box together")
}

func follower(wg *sync.WaitGroup, id int) {
    fmt.Printf("follwer %d find key\n", id)
    wg.Done()
}

结果:

➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run waitgroup.go
follwer 3 find key
follwer 1 find key
follwer 0 find key
follwer 2 find key
open the box together

WaitGroup也经常使用在协程池的处理上，协程池等待全部协程退出，把上篇文章《Golang并发模型：轻松入门协程池》的例子改下：

func workerPool(n int, jobCh <-chan int, retCh chan<- string) {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(n)
    for i := 0; i < n; i++ {
        go worker(&wg, i, jobCh, retCh)
    }

    wg.Wait()
    close(retCh)
}

func worker(wg *sync.WaitGroup, id int, jobCh <-chan int, retCh chan<- string) {
    cnt := 0
    for job := range jobCh {
        cnt++
        ret := fmt.Sprintf("worker %d processed job: %d, it's the %dth processed by me.", id, job, cnt)
        retCh <- ret
    }

    wg.Done()
}

单次执行

在程序执行前，一般须要作一些初始化操做，但触发初始化操做的地方是有多处的，可是这个初始化又只能执行1次，怎么办呢？

使用Once就能轻松解决，once对象是用来存放1个无入参无返回值的函数，once能够确保这个函数只被执行1次。

type Once
func (o *Once) Do(f func()){}

直接把官方代码给你们搬过来看下，once在10个协程中调用，但once中的函数onceBody()只执行了1次：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    var once sync.Once
    onceBody := func() {
        fmt.Println("Only once")
    }
    done := make(chan bool)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            once.Do(onceBody)
            done <- true
        }()
    }
    for i := 0; i < 10; i++ {
        <-done
    }
}

结果：

➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run once.go
Only once

示例源码

本文全部示例源码，及历史文章、代码都存储在Github：https://github.com/Shitaibin/golang_step_by_step/tree/master/sync_pkg

下期预告

此次先介绍入门的知识，下次再介绍一些深刻思考、最佳实践，不能一口吃个胖子，我们慢慢来，顺序渐进。

下一篇我以这些主题进行介绍，欢迎关注：

哪一个协程先获取锁
必定要用锁吗
锁与通道的选择

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本文做者：大彬

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