一、并发编程

1 - 并行和并发

并发编程概述：简而言之，所谓并发编程是指在一台处理器上“同时”处理多个任务
并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行
并发(concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，通过cpu时间片轮转使多个进程快速交替的执行
- 宏观的并发是指在一段时间内，有多个程序在同时运行【用户体验上，程序在并行执行】
- 并发在微观上，是指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个程序指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个程序快速交替的执行【多个计划任务，顺序执行。在飞快的切换。轮换使用 cpu 时间轮片】
咖啡机理解并行与并发
- 并行是两个队列同时使用两台咖啡机（真正的多任务）
- 并发是两个队列交替使用一台咖啡机（假的多任务）

2 - 程序、进程、线程

什么是程序：程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、设备、锁…)
什么是进程：进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)
进程状态：进程基本的状态有5种。分别为初始态，就绪态，运行态，挂起态与终止态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看

3 - 进程并发

进程并发：在操作系统中，可以产生很多的进程。在unix/linux系统中，正常情况下，子进程是通过父进程fork创建的，子进程再创建新的进程；在使用进程实现并发时会出现什么问题呢？
- 系统开销比较大，占用资源比较多，开启进程数量比较少
- 在unix/linux系统下，还会产生“孤儿进程”和“僵尸进程”
孤儿进程：父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为init进程，称为init进程领养孤儿进程
僵尸进程：进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程

4 - 线程并发

什么是线程：LWP -> light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程 (Linux下)
- 进程：独立地址空间，拥有PCB
- 线程：有独立的PCB，但没有独立的地址空间(共享)
- 区别：在于是否共享地址空间。独居(进程)；合租(线程)。
  - 线程：最小的执行单位
  - 进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程

Windows系统下，可以直接忽略进程的概念，只谈线程。因为线程是最小的执行单位，是被系统独立调度和分派的基本单位。而进程只是给线程提供执行环境。所以我们要更关注线程

什么是PCB：为了描述控制进程的运行，系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块（PCB Process Control Block），它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录性数据结构。它是进程管理和控制的最重要的数据结构，每一个进程均有一个PCB，在创建进程时，建立PCB，伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消
- PCB中记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息。PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。例如，当OS要调度某进程执行时，要从该进程的PCB中查出其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；进程在执行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步，通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；当进程由于某种原因而暂停执行时，又须将器断点的处理机环境保存在PCB中。可见，在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，即系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的。所以说，PCB是进程存在的唯一标志
CPU抢占

5 - 线程同步

同步概念：同步即协同步调，按预定的先后次序运行
为什么需要同步：多个线程，共同操作一个共享资源的时候，就需要同步
- “同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制
线程同步实现方式：互斥量mutex、读写锁
互斥量mutex：Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）；每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁；资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了
- 注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁
- 互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定（因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱）
读写锁：
- 与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享；读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况
- 读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。
读写锁状态：读写锁只有一把，但其具备两种状态
- 读模式下加锁状态 (读锁)
- 写模式下加锁状态 (写锁)
读写锁特性
- 读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞
- 读写锁是“读模式加锁”时，如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞
- 读写锁是“读模式加锁”时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高（当同时有写线程和读线程时，优先写锁）

二、协程Coroutine

1 - 协程概念

协程Coroutine：也叫轻量级线程
- 与传统的系统级线程和进程相比，协程最大的优势在于“轻量级”。可以轻松创建上万个而不会导致系统资源衰竭。而线程和进程通常很难超过1万个。这也是协程别称“轻量级线程”的原因
- 一个线程中可以有任意多个协程，但某一时刻只能有一个协程在运行，多个协程分享该线程分配到的计算机资源
- 在协程中，调用一个任务就像调用一个函数一样，消耗的系统资源最少！但能达到进程、线程并发相同的效果
- 在一次并发任务中，进程、线程、协程均可以实现。从系统资源消耗的角度出发来看，进程相当多，线程次之，协程最少
进程、线程、协程都可以完成并发
- 进程 -> 稳定性强
- 线程 -> 节省资源
- 协程 -> 效率高

2 - Go并发

Go并发
- Go在语言级别支持协程，叫goroutine。Go 语言标准库提供的所有系统调用操作（包括所有同步IO操作），都会出让CPU给其他goroutine。这让轻量级线程的切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不需要依赖于CPU的核心数量
- 有人把Go比作21世纪的C语言。第一是因为Go语言设计简单，第二，21世纪最重要的就是并行程序设计，而Go从语言层面就支持并行。同时，并发程序的内存管理有时候是非常复杂的，而Go语言提供了自动垃圾回收机制
- Go语言为并发编程而内置的上层API基于顺序通信进程模型CSP(communicating sequential processes)。这就意味着显式锁都是可以避免的，因为Go通过相对安全的通道发送和接受数据以实现同步，这大大地简化了并发程序的编写
Go语言中的并发程序主要使用两种手段：goroutine和channel
什么是Goroutine
- goroutine是Go并行设计的核心。goroutine说到底其实就是协程，它比线程更小，十几个goroutine可能体现在底层就是五六个线程，Go语言内部帮你实现了这些goroutine之间的内存共享。执行goroutine只需极少的栈内存(大概是4~5KB)，当然会根据相应的数据伸缩。也正因为如此，可同时运行成千上万个并发任务。goroutine比thread更易用、更高效、更轻便
- 一般情况下，一个普通计算机跑几十个线程就有点负载过大了，但是同样的机器却可以轻松地让成百上千个goroutine进行资源竞争

3 - go程创建

Goroutine的创建：（创建于进程中）只需在函数调用语句前添加 go 关键字，就可创建并发执行单元。开发人员无需了解任何执行细节，调度器会自动将其安排到合适的系统线程上执行

package mainimport ("fmt"
)func sing() {for i := 0; i < 50; i++ {fmt.Println("----正在唱：隔壁泰山----")}
}func dance() {for i := 0; i < 50; i++ {fmt.Println("----正在跳舞：赵四街舞----")}
}func main() {go sing()go dance()for {;}
}

4 - Goroutine特性

Goroutine特性：主goroutine退出后，其它的工作goroutine也会自动退出（主go程结束，相当于进程结束了，而go程是进程创建的，所以其他的go程也会退出）

func main() {go func() { // 创建一个 子go 程for i := 0; i < 5; i++ {fmt.Println("------I'm goroutine -------")time.Sleep(time.Second)}}()fmt.Println("------I'm main-------")for i := 0; i < 5; i++ { // 主 go 程fmt.Println("------I'm main-------")time.Sleep(time.Second)if i == 2 {break}}
}
/* 调试输出
------I'm main-------
------I'm main-------
------I'm goroutine -------
------I'm goroutine -------
------I'm main-------
------I'm goroutine -------
------I'm main-------
*/

5 - runtime包

runtime.Gosched()：用于让出CPU时间片，让出当前goroutine的执行权限，调度器安排其他等待的任务运行，并在下次再获得cpu时间轮片的时候，从该出让cpu的位置恢复执行
- 有点像跑接力赛，A跑了一会碰到代码runtime.Gosched() 就把接力棒交给B了，A歇着了，B继续跑
下列代码执行分析：
- 没有runtime.Gosched()时，"main test"的打印还会出现比较连续的
- 使用了runtime.Gosched()时，"main test"的打印就不会那么连续了，一次打印后就出让CPU了

func main() {go func() {for {fmt.Println(" this is goroutine test")}}()for {runtime.Gosched() // 出让当前 cpu 时间片fmt.Println(" this is main test")}
}

Goexit：调用 runtime.Goexit() 将立即终止当前 goroutine 执行，调度器确保所有已注册 defer延迟调用被执行
return和Goexit区别
- return：返回当前函数调用到调用者那里去；return之前的defer注册都生效
- Goexit：结束调用该函数的当前go程；Goexit之前的defer注册都生效

package mainimport ("fmt""runtime"
)func test() {defer fmt.Println("ccccccccccccccccc")//returnruntime.Goexit() // 退出当前go程。defer fmt.Println("ddddddddddddddddd")
}func main() {go func() {defer fmt.Println("aaaaaaaaaa")test()fmt.Println("bbbbbbbbbbbbb")}()for {;}
}

GOMAXPROCS：设置当前进程使用的最大cpu核数
- 调用 runtime.GOMAXPROCS() 用来设置可以并行计算的CPU核数的最大值，并返回之前的值

package mainimport ("fmt""runtime"
)func main() {fmt.Println(runtime.GOROOT())n := runtime.GOMAXPROCS(1) //将cpu设置为 单核fmt.Println("n = ", n)n = runtime.GOMAXPROCS(2) //将cpu设置为 双核fmt.Println("n = ", n)for {go fmt.Print(0) // 子go 程fmt.Print(1) // 主 go 程}
}

6 - go程嵌套特性

aaa的go程是由匿名go程创建的：执行完“----2”的打印，匿名go程就退出了，但是aaa的go程并没有退出

package mainimport ("fmt""runtime""time"
)func aaa() {for {time.Sleep(time.Millisecond * 200)fmt.Println("-----------")}
}
func main() {go func() {fmt.Println("------------1")go aaa()fmt.Println("------------2")return}()for {runtime.GC()}
}

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3-Go并发编程与协程Goroutine

目录

一、并发编程

1 - 并行和并发

2 - 程序、进程、线程

3 - 进程并发

4 - 线程并发

5 - 线程同步

二、协程Coroutine

1 - 协程概念

2 - Go并发

3 - go程创建

4 - Goroutine特性

5 - runtime包

6 - go程嵌套特性

3-Go并发编程与协程Goroutine相关推荐

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