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Go语言并发简述(并发的优势)

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优雅的并发编程范式,完善的并发支持,出色的并发性能是 Go语言区别于其他语言的一大特色。使用 Go语言开发服务器程序时,就需要对它的并发机制有深入的了解。

并发基础

回到在 Windows 和 Linux 出现之前的古老年代,程序员在开发程序时并没有并发的概念,因为命令式程序设计语言是以串行为基础的,程序会顺序执行每一条指令,整个程序只有一个执行上下文,即一个调用栈,一个堆。

并发则意味着程序在运行时有多个执行上下文,对应着多个调用栈。我们知道每一个进程在运行时,都有自己的调用栈和堆,有一个完整的上下文,而操作系统在调度进程的时候,会保存被调度进程的上下文环境,等该进程获得时间片后,再恢复该进程的上下文到系统中。

从整个操作系统层面来说,多个进程是可以并发的,那么并发的价值何在?下面我们先看以下几种场景。

1) 一方面我们需要灵敏响应的图形用户界面,一方面程序还需要执行大量的运算或者 IO 密集操作,而我们需要让界面响应与运算同时执行。

2) 当我们的 Web 服务器面对大量用户请求时,需要有更多的“Web 服务器工作单元”来分别响应用户。

3) 我们的事务处于分布式环境上,相同的工作单元在不同的计算机上处理着被分片的数据。计算机的 CPU 从单内核(core)向多内核发展,而我们的程序都是串行的,计算机硬件的能力没有得到发挥。

4) 我们的程序因为 IO 操作被阻塞,整个程序处于停滞状态,其他 IO 无关的任务无法执行。

从以上几个例子可以看到,串行程序在很多场景下无法满足我们的要求。下面我们归纳了并发程序的几条优点,让大家认识到并发势在必行:
  • 并发能更客观地表现问题模型;
  • 并发可以充分利用 CPU 核心的优势,提高程序的执行效率;
  • 并发能充分利用 CPU 与其他硬件设备固有的异步性。

现在我们已经意识到并发的好处了,那么到底有哪些方式可以实现并发执行呢?就目前而言,并发包含以下几种主流的实现模型。

1) 多进程

多进程是在操作系统层面进行并发的基本模式。同时也是开销最大的模式。在 Linux 平台上,很多工具链正是采用这种模式在工作。比如某个 Web 服务器,它会有专门的进程负责网络端口的监听和链接管理,还会有专门的进程负责事务和运算。这种方法的好处在于简单、进程间互不影响,坏处在于系统开销大,因为所有的进程都是由内核管理的。

2) 多线程

多线程在大部分操作系统上都属于系统层面的并发模式,也是我们使用最多的最有效的一种模式。目前,我们所见的几乎所有工具链都会使用这种模式。它比多进程的开销小很多,但是其开销依旧比较大,且在高并发模式下,效率会有影响。

3) 基于回调的非阻塞/异步 IO

这种架构的诞生实际上来源于多线程模式的危机。在很多高并发服务器开发实践中,使用多线程模式会很快耗尽服务器的内存和 CPU 资源。

而这种模式通过事件驱动的方式使用异步 IO,使服务器持续运转,且尽可能地少用线程,降低开销,它目前在 Node.js 中得到了很好的实践。但是使用这种模式,编程比多线程要复杂,因为它把流程做了分割,对于问题本身的反应不够自然。

4) 协程

协程(Coroutine)本质上是一种用户态线程,不需要操作系统来进行抢占式调度,且在真正的实现中寄存于线程中,因此,系统开销极小,可以有效提高线程的任务并发性,而避免多线程的缺点。使用协程的优点是编程简单,结构清晰;缺点是需要语言的支持,如果不支持,则需要用户在程序中自行实现调度器。目前,原生支持协程的语言还很少。

接下来我们先诠释一下传统并发模型的缺陷,之后再讲解 goroutine 并发模型是如何逐一解决这些缺陷的。

人的思维模式可以认为是串行的,而且串行的事务具有确定性。线程类并发模式在原先的确定性中引入了不确定性,这种不确定性给程序的行为带来了意外和危害,也让程序变得不可控。

线程之间通信只能采用共享内存的方式。为了保证共享内存的有效性,我们采取了很多措施,比如加锁等,来避免死锁或资源竞争。实践证明,我们很难面面俱到,往往会在工程中遇到各种奇怪的故障和问题。

我们可以将之前的线程加共享内存的方式归纳为“共享内存系统”,虽然共享内存系统是一种有效的并发模式,但它也暴露了众多使用上的问题。计算机科学家们在近 40 年的研究中又产生了一种新的系统模型,称为“消息传递系统”。

对线程间共享状态的各种操作都被封装在线程之间传递的消息中,这通常要求:发送消息时对状态进行复制,并且在消息传递的边界上交出这个状态的所有权。从逻辑上来看,这个操作与共享内存系统中执行的原子更新操作相同,但从物理上来看则非常不同。由于需要执行复制操作,所以大多数消息传递的实现在性能上并不优越,但线程中的状态管理工作通常会变得更为简单。

最早被广泛应用的消息传递系统是由 C. A. R. Hoare 在他的 Communicating Sequential Processes 中提出的。在 CSP 系统中,所有的并发操作都是通过独立线程以异步运行的方式来实现的。这些线程必须通过在彼此之间发送消息,从而向另一个线程请求信息或者将信息提供给另一个线程。使用类似 CSP 的系统将提高编程的抽象级别。
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