Golang并发:除了channel,你还有其他选择
我们都知道Golang并发优选channel,但channel不是万能的,Golang为我们提供了另一种选择:sync。通过这篇文章,你会了解sync包最基础、最常用的方法,至于sync和channel之争留给下一篇文章。
sync包提供了基础的异步操作方法,比如互斥锁(Mutex)、单次执行(Once)和等待组(WaitGroup),这些异步操作主要是为低级库提供,上层的异步/并发操作最好选用通道和通信。
sync包提供了:
- 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,所以只介绍常用的结构和方法:Mutex
、RWMutex
、WaitGroup
、Once
,而Cond
、Pool
和Map
留给大家自行探索,或有需求再介绍。
互斥锁
常做并发工作的朋友对互斥锁应该不陌生,Golang里互斥锁需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)。
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,如下:
type Mutex func (m *Mutex) Lock(){} func (m *Mutex) Unlock(){}
Mutex
的初始值为未锁的状态,并且Mutex
通常作为结构体的匿名成员存在。
经过了上面这么“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。银行需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,但如果同时执行,结果可能是,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,银行可不希望把这种事算错。
看看实际使用吧:创建一个银行,银行里存每个账户的钱,存储查询都加了锁操作,这样银行就不会算错账了。
银行的定义:
type Bank struct { sync.Mutex saving map[string]int // 每账户的存款金额 } func NewBank() *Bank { b := &Bank{ saving: make(map[string]int), } return b }
银行的存取钱:
// 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] }
模拟操作:小米支付宝存了100,并且同时花了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
也可能是:先花后存,因为先花20,因为小明没钱,所以没花出去。
➜ 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,如果你想多研究下mutex,那就去我的Github(阅读原文)下载下来代码,自己修改测试。Github中还提供了没有锁的例子,运行多次总能碰到错误:
fatal error: concurrent map writes
这是由于并发访问map造成的。
读写锁
读写锁是互斥锁的特殊变种,如果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,介绍下我们的重点:读写锁要达到的效果是同一时间可以允许多个协程读数据,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,如果需要进行写,就必须等待所有已经在读的协程结束读操作,写操作的协程才获得锁进行写数据。当写数据的协程已经在进行时,有其他协程需要进行读或者写,就必须等待已经在写的协程结束写操作。
读写锁是RWMutex
,它有5个函数,它需要为读操作和写操作分别提供锁操作,这样就4个了:
Lock()
和Unlock()
是给写操作用的。RLock()
和RUnlock()
是给读操作用的。
RLocker()
能获取读锁,然后传递给其他协程使用。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:大家都是拿手机APP查余额,可以同时几个人一起查呀,这根本不影响,银行的锁可以换成读写锁。存、取钱是写操作,查询金额是读操作,代码修改如下,其他不变:
type Bank struct { sync.RWMutex saving map[string]int // 每账户的存款金额 } // 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,可能不一样,因为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,所以先来介绍下等待组在现实中的例子。
你们团队有5个人,你作为队长要带领大家打开藏有宝藏的箱子,但这个箱子需要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,一起插进钥匙打开宝箱。
这其中有个很重要的过程叫等待:等待一些工作完成后,再进行下一步的工作。如果使用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,代表要等待1个协程。Done()
:被等待的协程执行Done,代表该协程已经完成任务,通知等待协程。Wait()
: 等待其他协程的协程,使用Wait进行等待。
type WaitGroup func (wg *WaitGroup) Add(delta int){} func (wg *WaitGroup) Done(){} func (wg *WaitGroup) Wait(){}
来,一起看下怎么用WaitGroup实现上面的问题。
队长先创建一个WaitGroup对象wg,每个队员都是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)所有队员完成,某个队员完成时执行wg.Done()
,等所有队员找到钥匙,wg.Wait()
则返回,完成了等待的过程,接下来就是开箱。
结合之前的协程池的例子,修改成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也常用在协程池的处理上,协程池等待所有协程退出,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,通常需要做一些初始化操作,但触发初始化操作的地方是有多处的,但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可以确保这个函数只被执行1次。
type Once func (o *Once) Do(f func()){}
直接把官方代码给大家搬过来看下,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
本文所有示例源码,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
这次先介绍入门的知识,下次再介绍一些深入思考、最佳实践,不能一口吃个胖子,咱们慢慢来,顺序渐进。
下一篇我以这些主题进行介绍,欢迎关注:
- 哪个协程先获取锁
- 一定要用锁吗
- 锁与通道的选择
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- 本文作者:大彬
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