I. Einführung in Goroutine

Goroutine ist ein sehr ausgeprägtes Design in der Go-Programmiersprache und eines ihrer wichtigsten Highlights. Im Wesentlichen eine Coroutine, ist sie der Schlüssel zur Erreichung paralleler Berechnungen. Die Verwendung von Goroutine ist sehr einfach. Sie können eine Coroutine einfach mit dem Schlüsselwort go starten, und sie läuft asynchron. Das Programm kann die nachfolgenden Codezeilen weiter ausführen, ohne auf den Abschluss der Goroutine zu warten.

go func() // Startet eine Coroutine, um eine Funktion mit dem Schlüsselwort go auszuführen

II. Interne Prinzipien von Goroutine

Konzepteinführung

Concurrency (Gleichzeitigkeit)

Auf einer einzelnen CPU können mehrere Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden. In einem extrem kurzen Zeitraum wechselt die CPU schnell zwischen Aufgaben (z. B. führt sie Programm A für kurze Zeit aus und wechselt dann schnell zu Programm B). Es gibt eine zeitliche Überschneidung (aus makroskopischer Sicht scheint es gleichzeitig zu sein, aber auf mikroskopischer Ebene ist es immer noch eine sequenzielle Ausführung). Dies erweckt die Illusion, dass mehrere Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden, und das nennen wir Concurrency.

Parallelism (Parallelität)

Wenn ein System über mehrere CPUs verfügt, kann jede CPU Aufgaben gleichzeitig ausführen, ohne um die Ressourcen ihrer eigenen CPU zu konkurrieren. Sie arbeiten gleichzeitig, und dies wird als Parallelität bezeichnet.

Prozess

Wenn die CPU zwischen Programmen wechselt, geht eine Reihe von Zuständen des vorherigen Programms verloren, wenn sie den Zustand des vorherigen Programms (den sogenannten Kontext) nicht speichert und direkt zum nächsten Programm wechselt. Um dieses Problem zu lösen, wird das Konzept eines Prozesses eingeführt, um die für die Programmausführung erforderlichen Ressourcen zuzuweisen. Daher ist ein Prozess die grundlegende Ressourceneinheit, die für die Ausführung eines Programms erforderlich ist (er kann auch als eine Entität der Programmausführung betrachtet werden). Wenn Sie beispielsweise eine Textbearbeitungsanwendung ausführen, verwaltet der Prozess für diese Anwendung alle Ressourcen wie den Speicherplatz für den Textpuffer, Dateiressourcen usw.

Thread

Der Wechsel zwischen mehreren Prozessen durch die CPU verbraucht eine erhebliche Zeit, da der Prozesswechsel einen Übergang in den Kernel-Modus erfordert und jede Zeitplanung das Lesen von Daten im Benutzermodus erfordert. Mit zunehmender Anzahl von Prozessen verbraucht die CPU-Planung eine große Menge an Ressourcen. Daher wird das Konzept eines Threads eingeführt. Threads selbst verbrauchen sehr wenig Ressourcen; sie teilen sich die Ressourcen innerhalb eines Prozesses. Wenn der Kernel Threads plant, verbraucht er nicht so viele Ressourcen wie bei der Planung von Prozessen. In einer Webserveranwendung können beispielsweise mehrere Threads verwendet werden, um verschiedene Client-Anforderungen gleichzeitig zu bearbeiten und sich die Ressourcen des Serverprozesses wie Netzwerkverbindungen und Speicher-Caches zu teilen.

Coroutine

Eine Coroutine hat ihren eigenen Registerkontext und Stack. Wenn die Coroutine zum Wechseln geplant ist, speichert sie den Registerkontext und den Stack an einem anderen Ort. Beim Zurückschalten stellt sie den zuvor gespeicherten Registerkontext und Stack wieder her. Eine Coroutine kann also den Zustand des vorherigen Aufrufs beibehalten (d. h. eine bestimmte Kombination aller lokalen Zustände). Jedes Mal, wenn sie den Prozess erneut betritt, entspricht dies der Rückkehr zum Zustand des vorherigen Aufrufs, mit anderen Worten, der Rückkehr zu der Position im logischen Ablauf, an der sie das letzte Mal verlassen hat. Die Operationen von Threads und Prozessen werden vom Programm über Systemschnittstellen ausgelöst, und der ultimative Ausführer ist das System. Die Operationen von Coroutinen werden jedoch vom eigenen Programm des Benutzers ausgeführt, und Goroutine ist eine Art Coroutine.

Einführung in das Scheduling-Modell

Die leistungsstarke parallele Implementierung von Goroutine wird durch das GPM-Scheduling-Modell erreicht. Im Folgenden wird das Goroutine-Scheduling-Modell erläutert.

Es gibt vier wichtige Strukturen innerhalb des Go-Schedulers: M, P, G und Sched (Sched wird im Diagramm nicht gezeigt).

• M: Repräsentiert einen Kernel-Level-Thread. Ein M ist ein Thread, und Goroutinen laufen auf M. Wenn beispielsweise eine Goroutine gestartet wird, um eine komplexe Berechnung durchzuführen, wird diese Goroutine einem M zur Ausführung zugewiesen. M ist eine große Struktur, die einen Small-Object-Memory-Cache (mcache), die aktuell laufende Goroutine, einen Zufallszahlengenerator und viele andere Informationen verwaltet.
• G: Repräsentiert eine Goroutine. Sie hat ihren eigenen Stack zum Speichern von Funktionsaufrufinformationen, einen Instruction Pointer zur Angabe der Ausführungsposition und andere Informationen wie den Channel, auf den sie wartet, der für die Planung verwendet wird. Wenn beispielsweise eine Goroutine darauf wartet, Daten von einem Channel zu empfangen, werden diese Informationen in der G-Struktur gespeichert.
• P: Der vollständige Name ist Processor. Er wird hauptsächlich zur Ausführung von Goroutinen verwendet. Sie können ihn sich als Task-Dispatcher vorstellen. Er verwaltet auch eine Goroutine-Queue, die alle Goroutinen speichert, die von ihm ausgeführt werden müssen. Wenn beispielsweise mehrere Goroutinen erstellt werden, werden sie der von P verwalteten Queue zur Planung hinzugefügt.
• Sched: Repräsentiert den Scheduler. Er kann als zentrales Scheduling-Center betrachtet werden. Er verwaltet die Queues von M und G sowie einige Zustandsinformationen des Schedulers, um die effiziente Planung des gesamten Systems sicherzustellen.

Scheduling-Implementierung

Wie aus der Abbildung ersichtlich, gibt es 2 physische Threads M, jedes M hat einen Prozessor P, und es gibt eine laufende Goroutine.

• Die Anzahl von P kann über GOMAXPROCS() eingestellt werden. Sie stellt tatsächlich den wahren Parallelitätsgrad dar, d. h. die Anzahl der Goroutinen, die gleichzeitig laufen können.
• Die grauen Goroutinen in der Abbildung laufen nicht und befinden sich im Bereitschaftszustand und warten auf die Planung. P verwaltet diese Queue (genannt Runqueue).
• In der Go-Sprache ist das Starten einer Goroutine sehr einfach: Verwenden Sie einfach go function. Daher wird jedes Mal, wenn eine go-Anweisung ausgeführt wird, eine Goroutine am Ende der Runqueue hinzugefügt. Am nächsten Planungspunkt wird eine Goroutine aus der Runqueue zur Ausführung entnommen (aber wie wird entschieden, welche Goroutine ausgewählt werden soll?).

Wenn ein OS-Thread M0 blockiert wird (wie in der folgenden Abbildung dargestellt), wechselt P zur Ausführung von M1. Das M1 in der Abbildung befindet sich möglicherweise im Prozess der Erstellung oder wird aus dem Thread-Cache entnommen.

Wenn M0 zurückkehrt, muss es versuchen, ein P zu erhalten, um die Goroutine auszuführen. Normalerweise wird es versuchen, ein P von anderen OS-Threads zu erhalten. Wenn es keins erhalten kann, legt es die Goroutine in eine globale Runqueue und geht dann selbst in den Schlaf (wird in den Thread-Cache gelegt). Alle P überprüfen periodisch die globale Runqueue und führen die Goroutinen darin aus; andernfalls werden die Goroutinen in der globalen Runqueue nie ausgeführt.

Eine andere Situation ist, dass die P zugewiesene Aufgabe G schnell abgeschlossen ist (ungleiche Verteilung), was dazu führt, dass dieser Prozessor P im Leerlauf ist, während andere Ps noch Aufgaben haben. Wenn es keine Aufgaben G in der globalen Runqueue gibt, muss P einige G von anderen Ps zur Ausführung erhalten. Im Allgemeinen nimmt P, wenn es Aufgaben von anderen Ps nimmt, normalerweise die Hälfte der Runqueue, um sicherzustellen, dass jeder OS-Thread vollständig genutzt werden kann, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

III. Verwenden von Goroutine

Grundlegende Verwendung

Legen Sie die Anzahl der CPUs fest, auf denen Goroutine ausgeführt werden soll. Die neueste Version von Go hat eine Standardeinstellung.

num := runtime.NumCPU() // Ruft die Anzahl der logischen CPUs des Hosts ab und bereitet die spätere Einstellung des Parallelitätsgrads vor
runtime.GOMAXPROCS(num) // Legt die maximale Anzahl von CPUs fest, die gleichzeitig ausgeführt werden können, basierend auf der Anzahl der Host-CPUs, wodurch der Parallelitätsgrad von Goroutinen gesteuert wird

Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Einfache Goroutine-Berechnung

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

// Die Funktion cal wird verwendet, um die Summe zweier Integer zu berechnen und das Ergebnis auszugeben
func cal(a int, b int) {
    c := a + b
    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, c)
}

func main() {
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go cal(i, i + 1) // Startet 10 Goroutinen zur Durchführung von Berechnungen
    }
    time.Sleep(time.Second * 2) // Sleep wird verwendet, um auf den Abschluss aller Aufgaben zu warten
}

Ergebnis:

8 + 9 = 17
9 + 10 = 19
4 + 5 = 9
5 + 6 = 11
0 + 1 = 1
1 + 2 = 3
2 + 3 = 5
3 + 4 = 7
7 + 8 = 15
6 + 7 = 13

Goroutine-Ausnahmebehandlung

Beim Starten mehrerer Goroutinen wird das gesamte Programm beendet, wenn eine von ihnen auf eine Ausnahme stößt und keine Ausnahmebehandlung durchgeführt wird. Daher ist es ratsam, beim Schreiben eines Programms den von jeder Goroutine ausgeführten Funktionen eine Ausnahmebehandlung hinzuzufügen. Die Funktion recover kann für die Ausnahmebehandlung verwendet werden.

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func addele(a []int, i int) {
    // Verwenden Sie defer, um die Ausführung der anonymen Funktion zu verzögern, die zum Abfangen möglicher Ausnahmen verwendet wird
    defer func() {
        // Rufen Sie die Funktion recover auf, um die Ausnahmeinformationen abzurufen
        err := recover()
        if err!= nil {
            // Geben Sie die Ausnahmeinformationen aus
            fmt.Println("add ele fail")
        }
    }()
    a[i] = i
    fmt.Println(a)
}

func main() {
    Arry := make([]int, 4)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go addele(Arry, i)
    }
    time.Sleep(time.Second * 2)
}

Ergebnis:

add ele fail
[0 0 0 0]
[0 1 0 0]
[0 1 2 0]
[0 1 2 3]
add ele fail
add ele fail
add ele fail
add ele fail
add ele fail

Synchronisierte Goroutinen

Da Goroutinen asynchron ausgeführt werden, ist es möglich, dass einige Goroutinen noch nicht fertig ausgeführt wurden, wenn das Hauptprogramm beendet wird, und diese Goroutinen werden ebenfalls beendet. Wenn Sie warten möchten, bis alle Goroutine-Aufgaben abgeschlossen sind, bevor Sie beenden, stellt Go das Paket sync und channel zur Lösung des Synchronisationsproblems bereit. Wenn Sie die Ausführungszeit jeder Goroutine vorhersagen können, können Sie natürlich auch time.Sleep verwenden, um zu warten, bis sie abgeschlossen sind, bevor Sie das Programm beenden (wie im obigen Beispiel).

Beispiel 1: Verwenden des sync-Pakets zum Synchronisieren von Goroutinen

WaitGroup wird verwendet, um auf den Abschluss einer Gruppe von Goroutinen zu warten. Das Hauptprogramm ruft Add auf, um die Anzahl der zu wartenden Goroutinen hinzuzufügen. Jede Goroutine ruft Done auf, wenn sie die Ausführung beendet, und die Zahl in der Warteschlange wird dann um 1 verringert. Das Hauptprogramm wird durch Wait blockiert, bis die Warteschlange 0 ist.

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func cal(a int, b int, n *sync.WaitGroup) {
    c := a + b
    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, c)
    // Wenn die Goroutine abgeschlossen ist, rufen Sie die Methode Done auf, um die Anzahl von WaitGroup um 1 zu verringern
    defer n.Done()
}

func main() {
    var go_sync sync.WaitGroup // Deklarieren Sie eine WaitGroup-Variable
    for i := 0; i < 10; i++ {
        // Erhöhen Sie die Anzahl von WaitGroup um 1, bevor Sie die Goroutine starten
        go_sync.Add(1)
        go cal(i, i + 1, &go_sync)
    }
    // Blockieren und warten Sie, bis die Anzahl von WaitGroup 0 ist, d. h. alle Goroutinen abgeschlossen sind
    go_sync.Wait()
}

Ergebnis:

9 + 10 = 19
2 + 3 = 5
3 + 4 = 7
4 + 5 = 9
5 + 6 = 11
1 + 2 = 3
6 + 7 = 13
7 + 8 = 15
0 + 1 = 1
8 + 9 = 17

Beispiel 2: Implementieren der Synchronisation zwischen Goroutinen über Channel

Implementierungsmethode: Über channel kann die Kommunikation zwischen mehreren Goroutinen erfolgen. Wenn eine Goroutine abgeschlossen ist, sendet sie ein Ausgangssignal an den channel. Wenn alle Goroutinen beendet sind, verwenden Sie eine for-Schleife, um Signale aus dem channel abzurufen. Wenn keine Daten abgerufen werden können, wird sie blockiert, bis alle Goroutinen abgeschlossen sind. Voraussetzung für die Verwendung dieser Methode ist, die Anzahl der gestarteten Goroutinen zu kennen.

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func cal(a int, b int, Exitchan chan bool) {
    c := a + b
    fmt.Printf("%d + %d = %d\n", a, b, c)
    time.Sleep(time.Second * 2)
    // Senden Sie ein Signal an den Channel, um anzugeben, dass die Goroutine abgeschlossen ist
    Exitchan <- true
}

func main() {
    // Erstellen Sie einen Bool-Typ-Channel mit einer Kapazität von 10, um die Fertigstellungssignale von Goroutinen zu speichern
    Exitchan := make(chan bool, 10)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go cal(i, i + 1, Exitchan)
    }
    for j := 0; j < 10; j++ {
        // Empfangen Sie Signale vom Channel. Wenn kein Signal verfügbar ist, wird es blockiert, bis eine Goroutine abgeschlossen ist und ein Signal sendet
        <-Exitchan
    }
    // Schließen Sie den Channel
    close(Exitchan)
}

Kommunikation zwischen Goroutinen

Goroutine ist im Wesentlichen eine Coroutine, die als ein Thread verstanden werden kann, der vom Go-Scheduler und nicht vom Kernel verwaltet wird. Die Kommunikation oder Datenfreigabe zwischen Goroutinen kann über channel erfolgen. Natürlich können auch globale Variablen verwendet werden, um Daten freizugeben.

Beispiel: Verwenden von Channel zur Simulation des Producer-Consumer-Musters

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func Productor(mychan chan int, data int, wait *sync.WaitGroup) {
    // Senden Sie Daten an den Channel
    mychan <- data
    fmt.Println("product data：", data)
    // Markieren Sie den Producer als abgeschlossen und verringern Sie die Anzahl von WaitGroup um 1
    wait.Done()
}

func Consumer(mychan chan int, wait *sync.WaitGroup) {
    // Empfangen Sie Daten vom Channel
    a := <-mychan
    fmt.Println("consumer data：", a)
    // Markieren Sie den Consumer als abgeschlossen und verringern Sie die Anzahl von WaitGroup um 1
    wait.Done()
}

func main() {
    // Erstellen Sie einen Int-Typ-Channel mit einer Kapazität von 100 für die Datenübertragung zwischen dem Producer und dem Consumer
    datachan := make(chan int, 100)
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        // Starten Sie die Producer-Goroutine, um Daten an den Channel zu senden
        go Productor(datachan, i, &wg)
        // Erhöhen Sie die Anzahl von WaitGroup
        wg.Add(1)
    }
    for j := 0; j < 10; j++ {
        // Starten Sie die Consumer-Goroutine, um Daten vom Channel zu empfangen
        go Consumer(datachan, &wg)
        // Erhöhen Sie die Anzahl von WaitGroup
        wg.Add(1)
    }
    // Blockieren und warten Sie, bis sowohl der Producer als auch der Consumer ihre Aufgaben abgeschlossen haben
    wg.Wait()
}

Ergebnis:

consumer data： 4
product data： 5
product data： 6
product data： 7
product data： 8
product data： 9
consumer data： 1
consumer data： 5
consumer data： 6
consumer data： 7
consumer data： 8
consumer data： 9
product data： 2
consumer data： 2
product data： 3
consumer data： 3
product data： 4
consumer data： 0
product data： 0
product data： 1

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