前言

Go 语言是为并发而生的语言，Go 语言是为数不多的在语言层面实现并发的语言；也正是 Go 语言的并发特性，吸引了全球无数的开发者

并发 (concurrency) 和并行(parallellism)

在了解 Go 的并发原理之前，先了解什么是并发什么是并行；

  • 并发 ( concurrency )

    两个或两个以上的任务在一段时间内被执行。我们不必 care 这些任务在某一个时间点是否是同时执行，可能同时执行，也可能不是，我们只关心在一段时间内，哪怕是很短的时间（一秒或者两秒）是否执行解决了两个或两个以上任务

  • 并行 ( parallellism )

    两个或两个以上的任务在同一时刻被同时执行

并发说的是逻辑上的概念，而并行，强调的是物理运行状态；并发 “包含” 并行；( 详情请见：Rob Pike 的 PPT)

CSP 并发模型

Go 实现了两种并发形式。第一种是大家普遍认知的：多线程共享内存。其实就是 Java 或者 C++ 等语言中的多线程开发。另外一种是 Go 语言特有的，也是 Go 语言推荐的：CSP（communicating sequential processes）并发模型

请记住下面这句话：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
“不要以共享内存的方式来通信，相反，要通过通信来共享内存”

普通的线程并发模型，就是像 Java、C++、或者 Python，他们线程间通信都是通过共享内存的方式来进行的。非常典型的方式就是，在访问共享数据（例如数组、Map、或者某个结构体或对象）的时候，通过锁来访问，因此，在很多时候，衍生出一种方便操作的数据结构，叫做 “线程安全的数据结构”

Go 的 CSP 并发模型，是通过goroutine和channel来实现的。

  • goroutine: 是 Go 语言中并发的执行单位，有点抽象，其实就是和传统概念上的线程类似，但它比线程更为轻量，称之为协程
  • channel： 是 Go 语言中各个并发结构体 (goroutine) 之前的通信机制。 通俗的讲，就是各个goroutine之间通信的” 管道 “，有点类似于 Linux 中的管道

创建一个 goroutine 很简单，只要使用 go 关键字就可以了，如下；

go func()

通信机制 channel 也很方便，传数据用 channel <- data ，取数据用 <-channel

在通信过程中，传数据 channel <- data 和取数据 <-channel 必然会成对出现，因为这边传，那边取，两个goroutine之间才会实现通信，而且不管传还是取，必阻塞，直到另外的goroutine传或者取为止

这便是 Golang CSP 并发模型最基本的形式，本问内容不详细阐述并发原理

并发模型的运用

流水线模型

Golang 并发核心思路是关注数据流动。数据流动的过程交给 channel，数据处理的每个环节都交给 goroutine，把这些流程画起来，有始有终形成一条线，那就能构成流水线模型

流水线并不是什么新奇的概念，它能极大的提高生产效率，在当代社会流水线非常普遍，我们用的几乎任何产品（手机、电脑、汽车、水杯），都是从流水线上生产出来的；在 Golang 中，流水线由多个阶段组成，每个阶段之间通过 channel 连接，每个节点可以由多个同时运行的 goroutine 组成

如上图，从最简单的流水线入手，由 3 个阶段组成，分别是 A、B、C；第一个阶段的协程是生产者，它们只生产数据，最后一个阶段的协程是消费者，A 是生成者，C 是消费者，而 B 只是中间过程的处理者；A 和 B 之间是通道aCh，B 和 C 之间是通道bCh，A 生成数据传递给 B，B 生成数据传递给 C

举个例子，设计一个程序：计算一个整数切片中元素的平方值并把它打印出来。非并发的方式是使用 for 遍历整个切片，然后计算平方，打印结果

我们使用流水线模型实现这个简单的功能，从流水线的角度，可以分为 3 个阶段：

  1. 遍历切片，这是生产者。
  2. 计算平方值。
  3. 打印结果，这是消费者。

具体代码，参考 simple.go

  • producer()负责生产数据，它会把数据写入通道，并把它写数据的通道返回
  • square()负责从某个通道读数字，然后计算平方，将结果写入通道，并把它的输出通道返回
  • main()负责启动 producer 和 square，并且还是消费者，读取 suqre 的结果，并打印出来

流水线的特点

  1. 每个阶段把数据通过 channel 传递给下一个阶段
  2. 每个阶段要创建 1 个 goroutine 和 1 个通道，这个 goroutine 向里面写数据，函数要返回这个通道
  3. 有 1 个函数来组织流水线，我们例子中是 main 函数

流水线 FAN 模式

流水线模型进阶，FAN-IN 和 FAN-OUT 模式，FAN 模式可以让我们的流水线模型更好的利用 Golang 并发，提高软件性能

这里还是以生产汽车的流水线为例，汽车生产线上有个阶段是给小汽车装 4 个轮子，可以把这个阶段任务交给 4 个人同时去做，这 4 个人把轮子都装完后，再把汽车移动到生产线下一个阶段；这个过程中，就有任务的分发，和任务结果的收集；其中任务分发是 FAN-OUT，任务收集是 FAN-IN

  • FAN-OUT 模式：多个 goroutine 从同一个通道读取数据，直到该通道关闭；OUT 是一种张开的模式，所以又被称为扇出，可以用来分发任务
  • FAN-IN 模式：1 个 goroutine 从多个通道读取数据，直到这些通道关闭；IN 是一种收敛的模式，所以又被称为扇入，用来收集处理的结果

如下图所示，

依然延用上面的案例需求，计算一个整数切片中元素的平方值并把它打印出来，这次我们修改一下，添加 merge() 方法，具体代码参考 fan.go

  • producer()保持不变，负责生产数据
  • squre()也不变，负责计算平方值
  • 修改main()，启动 3 个 square，这 3 个 squre 从 producer 生成的通道读数据，这是 FAN-OUT
  • 增加merge()，入参是 3 个 square 各自写数据的通道，给这 3 个通道分别启动 1 个协程，把数据写入到自己创建的通道，并返回该通道，这是 FAN-IN
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