983-Golang的并发控制_golang 并发控制

我们考虑这么一种场景，协程A执行过程中需要创建子协程A1、A2、A3…An，协程A创建完子协程后就等待子协程退 出。针对这种场景，GO提供了三种解决方案：

Channel: 使用channel控制子协程
WaitGroup : 使用信号量机制控制子协程
Context: 使用上下文控制子协程

三种方案各有优劣，比如Channel优点是实现简单，清晰易懂，WaitGroup优点是子协程个数动态可调整，Context 优点是对子协程派生出来的孙子协程的控制。缺点是相对而言的，要结合实例应用场景进行选择。

channel

channel一般用于协程之间的通信，channel也可以用于并发控制。比如主协程启动N个子协程，主协程等待所有子 协程退出后再继续后续流程，这种场景下channel也可轻易实现。

场景示例
下面程序展示一个使用channel控制子协程的例子：

上面程序通过创建N个channel来管理N个协程，每个协程都有一个channel用于跟父协程通信，父协程创建完所有协 程中等待所有协程结束。
这个例子中，父协程仅仅是等待子协程结束，其实父协程也可以向管道中写入数据通知子协程结束，这时子协程需要 定期的探测管道中是否有消息出现。

总结
使用channel来控制子协程的优点是实现简单，缺点是当需要大量创建协程时就需要有相同数量的channel，而且对于子协程继续派生出来的协程不方便控制。
后面继续介绍的WaitGroup、Context看起来比channel优雅一些，在各种开源组件中使用频率比channel高得 多。

WaitGroup

WaitGroup是Golang应用开发过程中经常使用的并发控制技术。 WaitGroup，可理解为Wait-Goroutine-Group，即等待一组goroutine结束。比如某个goroutine需要等待其 他几个goroutine全部完成，那么使用WaitGroup可以轻松实现。
下面程序展示了一个goroutine等待另外两个goroutine结束的例子：

简单的说，上面程序中wg内部维护了一个计数器：
1.启动goroutine前将计数器通过Add(2)将计数器设置为待启动的goroutine个数。
2. 启动goroutine后，使用Wait()方法阻塞自己，等待计数器变为0。
3. 每个goroutine执行结束通过Done()方法将计数器减1。
4. 计数器变为0后，阻塞的goroutine被唤醒。

其实WaitGroup也可以实现一组goroutine等待另一组goroutine，这有点像玩杂技，很容出错，如果不了解其实现原理更是如此。实际上，WaitGroup的实现源码非常简单。

信号量
信号量是Unix系统提供的一种保护共享资源的机制，用于防止多个线程同时访问某个资源。 可简单理解为信号量为一个数值：
当信号量>0时，表示资源可用，获取信号量时系统自动将信号量减1；
当信号量= =0时，表示资源暂不可用，获取信号量时，当前线程会进入睡眠，当信号量为正时被唤醒；
由于WaitGroup实现中也使用了信号量，在此做个简单介绍。

WaitGroup数据结构
源码包中 src/sync/waitgroup.go:WaitGroup 定义了其数据结构：

type WaitGroup struct { 
state1 [3]uint32
}
1
2
3

state1是个长度为3的数组，其中包含了state和一个信号量，而state实际上是两个计数器：
counter： 当前还未执行结束的goroutine计数器
waiter count: 等待goroutine-group结束的goroutine数量，即有多少个等候者 semaphore: 信号量

考虑到字节是否对齐，三者出现的位置不同，为简单起见，依照字节已对齐情况下，三者在内存中的位置如下所示：

WaitGroup对外提供三个接口：
Add(delta int): 将delta值加到counter中
Wait()： waiter递增1，并阻塞等待信号量
semaphore Done()： counter递减1，按照waiter数值释放相应次数信号量

下面分别介绍这三个函数的实现细节。

Add(delta int)
Add()做了两件事，一是把delta值累加到counter中，因为delta可以为负值，也就是说counter有可能变成0或 负值，所以第二件事就是当counter值变为0时，跟据waiter数值释放等量的信号量，把等待的goroutine全部唤 醒，如果counter变为负值，则panic

Add()伪代码如下：


Wait()
Wait()方法也做了两件事，一是累加waiter, 二是阻塞等待信号量

这里用到了CAS算法保证有多个goroutine同时执行Wait()时也能正确累加waiter。

Done()
Done()只做一件事，即把counter减1，我们知道Add()可以接受负值，所以Done实际上只是调用了Add(-1)。 源码如下：

func (wg *WaitGroup) Done() { 
wg.Add(-1) 
}
1
2
3

Done()的执行逻辑就转到了Add()，实际上也正是最后一个完成的goroutine把等待者唤醒的。

注意事项：
Add()操作必须早于Wait(), 否则会panic
Add()设置的值必须与实际等待的goroutine个数一致，否则会panic

context

Golang context是Golang应用开发常用的并发控制技术，它与WaitGroup最大的不同点是context对于派生 goroutine有更强的控制力，它可以控制多级的goroutine。
context翻译成中文是”上下文”，即它可以控制一组呈树状结构的goroutine，每个goroutine拥有相同的上下 文。
典型的使用场景如下图所示：

上图中由于goroutine派生出子goroutine，而子goroutine又继续派生新的goroutine，这种情况下使用 WaitGroup就不太容易，因为子goroutine个数不容易确定。而使用context就可以很容易实现。

Context实现原理
context实际上只定义了接口，凡是实现该接口的类都可称为是一种context，官方包中实现了几个常用的 context，分别可用于不同的场景。

接口定义
源码包中 src/context/context.go:Context 定义了该接口：


基础的context接口只定义了4个方法，下面分别简要说明一下：

Deadline()
该方法返回一个deadline和标识是否已设置deadline的bool值，如果没有设置deadline，则ok == false，此 时deadline为一个初始值的time.Time值

Done()
该方法返回一个channel，需要在select-case语句中使用，如”case <-context.Done():”。
当context关闭后，Done()返回一个被关闭的管道，关闭的管理仍然是可读的，据此goroutine可以收到关闭请 求；当context还未关闭时，Done()返回nil。

Err()
该方法描述context关闭的原因。关闭原因由context实现控制，不需要用户设置。比如Deadline context，关 闭原因可能是因为deadline，也可能提前被主动关闭，那么关闭原因就会不同:
因deadline关闭：“context deadline exceeded”；
因主动关闭： “context canceled”。
当context关闭后，Err()返回context的关闭原因；当context还未关闭时，Err()返回nil；

Value()
有一种context，它不是用于控制呈树状分布的goroutine，而是用于在树状分布的goroutine间传递信息。
Value()方法就是用于此种类型的context，该方法根据key值查询map中的value。具体使用后面示例说明。

空context
context包中定义了一个空的context， 名为emptyCtx，用于context的根节点，空的context只是简单的实现 了Context，本身不包含任何值，仅用于其他context的父节点。
emptyCtx类型定义如下代码所示：


context包中定义了一个公用的emptCtx全局变量，名为background，可以使用context.Background()获取 它，实现代码如下所示：

context包提供了4个方法创建不同类型的context，使用这四个方法时如果没有父context，都需要传入 backgroud，即backgroud作为其父节点：

WithCancel()
WithDeadline()
WithTimeout()
WithValue()

context包中实现Context接口的struct，除了emptyCtx外，还有cancelCtx、timerCtx和valueCtx三种，正 是基于这三种context实例，实现了上述4种类型的context。
context包中各context类型之间的关系，如下图所示：

struct cancelCtx、valueCtx、valueCtx都继承于Context，下面分别介绍这三个struct。

cancelCtx
源码包中 src/context/context.go:cancelCtx 定义了该类型context：

children中记录了由此context派生的所有child，此context被cancle时会把其中的所有child都cancle掉。
cancelCtx与deadline和value无关，所以只需要实现Done()和Err()接口外露接口即可。
Done()接口实现
按照Context定义，Done()接口只需要返回一个channel即可，对于cancelCtx来说只需要返回成员变量done即 可。
这里直接看下源码，非常简单：

由于cancelCtx没有指定初始化函数，所以cancelCtx.done可能还未分配，所以需要考虑初始化。 cancelCtx.done会在context被cancel时关闭，所以cancelCtx.done的值一般经历如三个阶段：nil —> chan struct{} —> closed chan。

Err()接口实现
按照Context定义，Err()只需要返回一个error告知context被关闭的原因。对于cancelCtx来说只需要返回成员 变量err即可。
还是直接看下源码：


cancelCtx.err默认是nil，在context被cancel时指定一个error变量： var Canceled = errors.New(“context canceled”) 。

cancel()接口实现
cancel()内部方法是理解cancelCtx的最关键的方法，其作用是关闭自己和其后代，其后代存储在 cancelCtx.children的map中，其中key值即后代对象，value值并没有意义，这里使用map只是为了方便查询而 已。
cancel方法实现伪代码如下所示：

实际上，WithCancel()返回的第二个用于cancel context的方法正是此cancel()。

WithCancel()方法实现
WithCancel()方法作了三件事：
初始化一个cancelCtx实例
将cancelCtx实例添加到其父节点的children中(如果父节点也可以被cancel的话)
返回cancelCtx实例和cancel()方法

其实现源码如下所示：

这里将自身添加到父节点的过程有必要简单说明一下：

1. 如果父节点也支持cancel，也就是说其父节点肯定有children成员，那么把新context添加到children里 即可；
2. 如果父节点不支持cancel，就继续向上查询，直到找到一个支持cancel的节点，把新context添加到 children里；
3. 如果所有的父节点均不支持cancel，则启动一个协程等待父节点结束，然后再把当前context结束。

典型使用案例

一个典型的使用cancel context的例子如下所示：



上面代码中协程HandelRequest()用于处理某个请求，其又会创建两个协程：WriteRedis()、 WriteDatabase()，main协程创建创建context，并把context在各子协程间传递，main协程在适当的时机可以 cancel掉所有子协程。

程序输出如下所示：

timerCtx

源码包中 src/context/context.go:timerCtx 定义了该类型context：

type timerCtx struct { 
cancelCtx 
timer *time.Timer // Under cancelCtx.mu. 
deadline time.Time 
}
1
2
3
4
5

timerCtx在cancelCtx基础上增加了deadline用于标示自动cancel的最终时间，而timer就是一个触发自动 cancel的定时器。
由此，衍生出WithDeadline()和WithTimeout()。实现上这两种类型实现原理一样，只不过使用语境不一样：
deadline: 指定最后期限，比如context将2018.10.20 00:00:00之时自动结束 timeout: 指定最长存活时间，比如context将在30s后结束。
对于接口来说，timerCtx在cancelCtx基础上还需要实现Deadline()和cancel()方法，其中cancel()方法是重 写的。

Deadline()接口实现
Deadline()方法仅仅是返回timerCtx.deadline而矣。而timerCtx.deadline是WithDeadline()或 WithTimeout()方法设置的。

cancel()接口实现
cancel()方法基本继承cancelCtx，只需要额外把timer关闭。
timerCtx被关闭后，timerCtx.cancelCtx.err将会存储关闭原因：
如果deadline到来之前手动关闭，则关闭原因与cancelCtx显示一致；
如果deadline到来时自动关闭，则原因为：”context deadline exceeded”

WithDeadline()方法实现
WithDeadline()方法实现步骤如下：
初始化一个timerCtx实例
将timerCtx实例添加到其父节点的children中(如果父节点也可以被cancel的话)
启动定时器，定时器到期后会自动cancel本context
返回timerCtx实例和cancel()方法

也就是说，timerCtx类型的context不仅支持手动cancel，也会在定时器到来后自动cancel。

WithTimeout()方法实现
WithTimeout()实际调用了WithDeadline，二者实现原理一致。 看代码会非常清晰：

func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) { 
return WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout)) 
}
1
2
3

典型使用案例
下面例子中使用WithTimeout()获得一个context并在其了协程中传递：



主协程中创建一个10s超时的context，并将其传递给子协程，10s自动关闭context。程序输出如下：

valueCtx

源码包中 src/context/context.go:valueCtx 定义了该类型context：

type valueCtx struct { 
Context 
key, val interface{} 
}
1
2
3
4

valueCtx只是在Context基础上增加了一个key-value对，用于在各级协程间传递一些数据。
由于valueCtx既不需要cancel，也不需要deadline，那么只需要实现Value()接口即可。

Value（）接口实现
由valueCtx数据结构定义可见，valueCtx.key和valueCtx.val分别代表其key和value值。 实现也很简单：

这里有个细节需要关注一下，即当前context查找不到key时，会向父节点查找，如果查询不到则最终返回
interface{}。也就是说，可以通过子context查询到父的value值。

WithValue（）方法实现
WithValue()实现也是非常的简单, 伪代码如下：

典型使用案例
下面示例程序展示valueCtx的用法：


上例main()中通过WithValue()方法获得一个context，需要指定一个父context、key和value。然后通将该 context传递给子协程HandelRequest，子协程可以读取到context的key-value。 注意：本例中子协程无法自动结束，因为context是不支持cancle的，也就是说<-ctx.Done()永远无法返回。

如果需要返回，需要在创建context时指定一个可以cancel的context作为父节点，使用父节点的cancel()在适当的 时机结束整个context。

总结
Context仅仅是一个接口定义，跟据实现的不同，可以衍生出不同的context类型；
cancelCtx实现了Context接口，通过WithCancel()创建cancelCtx实例； timerCtx实现了Context接口，通过WithDeadline()和WithTimeout()创建timerCtx实例；
valueCtx实现了Context接口，通过WithValue()创建valueCtx实例；

三种context实例可互为父节点，从而可以组合成不同的应用形式；