goroutine, channel 和 CSP

时间 2019-11-06

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引子

老听 clojure 社区的人提起 core.async ，说它如何好用，如何简化了并发编程的模型，不禁得勾起了个人好奇心，想了解一番其思想的源头：CSP 模型及受其启发的 goroutine 和 channel 。html

CSP 模型

CSP 描述这样一种并发模型：多个Process 使用一个 Channel 进行通讯, 这个 Channel 连结的 Process 一般是匿名的，消息传递一般是同步的（有别于 Actor Model）。git

CSP 最先是由 Tony Hoare 在 1977 年提出，听说老爷子至今仍在更新这个理论模型，有兴趣的朋友能够自行查阅电子版本：http://www.usingcsp.com/cspbook.pdf。github

严格来讲，CSP 是一门形式语言（相似于 ℷ calculus），用于描述并发系统中的互动模式，也所以成为一众面向并发的编程语言的理论源头，并衍生出了 Occam/Limbo/Golang…golang

而具体到编程语言，如 Golang，其实只用到了 CSP 的很小一部分，即理论中的 Process/Channel（对应到语言中的 goroutine/channel）：这两个并发原语之间没有从属关系， Process 能够订阅任意个 Channel，Channel 也并不关心是哪一个 Process 在利用它进行通讯；Process 围绕 Channel 进行读写，造成一套有序阻塞和可预测的并发模型。编程

goroutine

What is a goroutine? It’s an independently executing function, launched by a go statement.
It has its own call stack, which grows and shrinks as required.
It’s very cheap. It’s practical to have thousands, even hundreds of thousands of goroutines.
It’s not a thread.
There might be only one thread in a program with thousands of goroutines.
Instead, goroutines are multiplexed dynamically onto threads as needed to keep all the goroutines running.
But if you think of it as a very cheap thread, you won’t be far off.并发

― Rob Pikeasync

以上是 Rob Pike 在 Google I/O 2012 上给出的描述，归纳下来其实就一句话：编程语言

goroutine 能够视为开销很小的线程（既不是物理线程也不是协程，但它拥有本身的调用栈，而且这个栈的大小是可伸缩的不是协程，它有本身的栈），很好用，须要并发的地方就用 go 起一个 func，goroutine走起 ide

在 Golang 中，任何代码都是运行在 goroutine里，即使没有显式的 go func()，默认的 main 函数也是一个 goroutine。函数

但 goroutine 不等于操做系统的线程，它与系统线程的对应关系，牵涉到 Golang 运行时的调度器：

Golang Scheduler

调度器由三方面实体构成：

M：物理线程，相似于 POSIX 的标准线程；
G：goroutine，它拥有本身的栈、指令指针和维护其余调度相关的信息；
P：表明调度上下文，可将其视为一个局部调度器，使Golang代码跑在一个线程上

三者对应关系：

上图有2个物理线程 M，每个 M 都拥有一个上下文（P），每个也都有一个正在运行的goroutine（G）。

P 的数量可由 runtime.GOMAXPROCS() 进行设置，它表明了真正的并发能力，便可有多少个 goroutine 同时运行。

调度器为何要维护多个上下文P 呢？由于当一个物理线程 M 被阻塞时，P 能够转而投奔另外一个OS线程 M（即 P 带着 G 连茎拔起，去另外一个 M 节点下运行）。这是 Golang调度器厉害的地方，也是高并发能力的保障。

channel

channel 是 goroutine 之间通讯（读写）的通道。由于它的存在，显得 Golang（或者说CSP）与传统的共享内存型的并发模型大相径庭，用 Effective Go 里的话来讲就是：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

在 Golang 的并发模型中，咱们并不关心是哪一个 goroutine（匿名性）在用 channel，只关心 channel 的性质：

是只读仍是只写？
传递的数据类型？
是否有缓冲区?

好比我但愿在程序里并发的计算并传递一个整型值，我就会定义一个 int 型的 channel：

value := make(chan int)

无缓冲的 channel因为 make 这个 channel 并未提供第二个参数capacity，所以这个 channel 是不带缓冲区的，即同步阻塞的channel：

它有以下特色：

1. 不能够在同一个 goroutine 中既读又写，不然将会死锁，抛出如

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

这样的错误，如下代码片段是这种典型：

func deadlock() {

ch := make(chan int)



ch <- 2

x := <-ch

log.Println(x)

}

2. 两个goroutine中使用无缓冲的channel，则读写互为阻塞，即双方代码的执行都会阻塞在 <-ch 和 ch <- 处，只到双方读写完成在 ch 中的传递，各自继续向下执行，此处借用CSP 图例说明：

goroutine 在无缓冲 channel 上交互的代码：

func nolock() {

ch := make(chan int)



go func() {

ch <- 2

log.Println("after write")

}()



x := <-ch

log.Println("after read:", x)

}

有缓冲的 channel

在 make 时传递第二参 capacity，即为有缓冲的 channel：

ch := make(chan int, 1)

这样的 channel 不管是否在同一 goroutine 中，都可读写而不致死锁，看看以下片段，你猜它会输出什么：

ch := make(chan int, 1)

for i := 0; i < 10; i++ {

select {

case x := <-ch:

fmt.Println(x)

case ch <- i:

}

}

举个粟子

网上看来的求素数的例子：使用若干个 goroutine （根据求解范围 N 而定）作素数的筛法，即

从2开始每找到一个素数就标记全部能被该素数整除的全部数。直到没有可标记的数，剩下的就都是素数。下面以找出10之内全部素数为例，借用 CSP 方式解决这个问题。

代码以下：

package main



import "fmt"



func Processor(seq <-chan int, wait chan struct{}, level int) {

go func() {

prime, ok := <-seq

if !ok {

close(wait)

return

}

fmt.Printf("[%d]: %d\n", level, prime)

out := make(chan int)

Processor(out, wait, level+1)

for num := range seq {

if num%prime != 0 {

out <- num

}

}

close(out)

}()

}



func main() {

origin, wait := make(chan int), make(chan struct{})

Processor(origin, wait, 1)

for num := 2; num < 10; num++ {

origin <- num

}

close(origin)

<-wait

}

FAQ

Q：goroutine 什么状况下会产生 leak?
A：channel 上只有 send 没有 receive
Q：读一个已经关闭的 channel 只会读取到 0 值，有什么办法应对？
A：要么在 receive 时加上第二个参数，如 v, ok :=，要么使用 v := range ch 形式接收
Q：写一个已经关闭的 channel 会有什么结果？
A：会 panic
Q：学习 Golang 有什么好的材料
A：官网，及下边这本 Golang圣经

goroutine, channel 和 CSP

引子

CSP 模型

goroutine

Golang Scheduler

channel

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