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Go语言的并发和并行

不知道你有没有注意到一个现象,还是这段代码,如果我跑在两个goroutines里面的话:

var quit chan int = make(chan int)

func loop() {
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Printf("%d ", i)
}
quit <- 0
} func main() {
// 开两个goroutine跑函数loop, loop函数负责打印10个数
go loop()
go loop() for i := 0; i < 2; i++ {
<- quit
}
}

我们观察下输出:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

这是不是有什么问题??

以前我们用线程去做类似任务的时候,系统的线程会抢占式地输出, 表现出来的是乱序地输出。而goroutine为什么是这样输出的呢?

goroutine是在并行吗?

我们找个例子测试下:

package main

import "fmt"
import "time" var quit chan int func foo(id int) {
fmt.Println(id)
time.Sleep(time.Second) // 停顿一秒
quit <- 0 // 发消息:我执行完啦!
} func main() {
count := 1000
quit = make(chan int, count) // 缓冲1000个数据 for i := 0; i < count; i++ { //开1000个goroutine
go foo(i)
} for i :=0 ; i < count; i++ { // 等待所有完成消息发送完毕。
<- quit
}
}

让我们跑一下这个程序(之所以先编译再运行,是为了让程序跑的尽量快,测试结果更好):

go build test.go
time ./test
./test 0.01s user 0.01s system 1% cpu 1.016 total

我们看到,总计用时接近一秒。 貌似并行了!

我们需要首先考虑下什么是并发, 什么是并行

并行和并发

从概念上讲,并发和并行是不同的, 简单来说看这个图片(原图来自这里)

  • 两个队列,一个Coffee机器,那是并发
  • 两个队列,两个Coffee机器,那是并行

更多的资料: 并发不是并行, 当然Google上有更多关于并行和并发的区别。

那么回到一开始的疑问上,从上面的两个例子执行后的表现来看,多个goroutine跑loop函数会挨个goroutine去进行,而sleep则是一起执行的。

这是为什么?

默认地, Go所有的goroutines只能在一个线程里跑 。

也就是说, 以上两个代码都不是并行的,但是都是是并发的。

如果当前goroutine不发生阻塞,它是不会让出CPU给其他goroutine的, 所以例子一中的输出会是一个一个goroutine进行的,而sleep函数则阻塞掉了 当前goroutine, 当前goroutine主动让其他goroutine执行, 所以形成了逻辑上的并行, 也就是并发。

真正的并行

为了达到真正的并行,我们需要告诉Go我们允许同时最多使用多个核。

回到起初的例子,我们设置最大开2个原生线程, 我们需要用到runtime包(runtime包是goroutine的调度器):

import (
"fmt"
"runtime"
) var quit chan int = make(chan int) func loop() {
for i := 0; i < 100; i++ { //为了观察,跑多些
fmt.Printf("%d ", i)
}
quit <- 0
} func main() {
runtime.GOMAXPROCS(2) // 最多使用2个核 go loop()
go loop() for i := 0; i < 2; i++ {
<- quit
}
}

这下会看到两个goroutine会抢占式地输出数据了。

我们还可以这样显式地让出CPU时间:

func loop() {
for i := 0; i < 10; i++ {
runtime.Gosched() // 显式地让出CPU时间给其他goroutine
fmt.Printf("%d ", i)
}
quit <- 0
} func main() { go loop()
go loop() for i := 0; i < 2; i++ {
<- quit
}
}

观察下结果会看到这样有规律的输出:

0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

其实,这种主动让出CPU时间的方式仍然是在单核里跑。但手工地切换goroutine导致了看上去的“并行”。

其实作为一个Python程序员,goroutine让我更多地想到的是gevent的协程,而不是原生线程。

关于runtime包对goroutine的调度,在stackoverflow上有一个不错的答案:http://stackoverflow.com/questions/13107958/what-exactly-does-runtime-gosched-do

一个小问题

我在Segmentfault看到了这个问题: http://segmentfault.com/q/1010000000207474

题目说,如下的程序,按照理解应该打印下5次 "world"呀,可是为什么什么也没有打印

package main

import (
"fmt"
) func say(s string) {
for i := 0; i < 5; i++ {
fmt.Println(s)
}
} func main() {
go say("world") //开一个新的Goroutines执行
for {
}
}

楼下的答案已经很棒了,这里Go仍然在使用单核,for死循环占据了单核CPU所有的资源,而main线和say两个goroutine都在一个线程里面, 所以say没有机会执行。解决方案还是两个:

  • 允许Go使用多核(runtime.GOMAXPROCS)

  • 手动显式调动(runtime.Gosched)

runtime调度器

runtime调度器是个很神奇的东西,但是我真是但愿它不存在,我希望显式调度能更为自然些,多核处理默认开启。

关于runtime包几个函数:

  • Gosched 让出cpu

  • NumCPU 返回当前系统的CPU核数量

  • GOMAXPROCS 设置最大的可同时使用的CPU核数

  • Goexit 退出当前goroutine(但是defer语句会照常执行)

总结

我们从例子中可以看到,默认的, 所有goroutine会在一个原生线程里跑,也就是只使用了一个CPU核。

在同一个原生线程里,如果当前goroutine不发生阻塞,它是不会让出CPU时间给其他同线程的goroutines的,这是Go运行时对goroutine的调度,我们也可以使用runtime包来手工调度。

本文开头的两个例子都是限制在单核CPU里执行的,所有的goroutines跑在一个线程里面,分析如下:

  • 对于代码例子一(loop函数的那个),每个goroutine没有发生堵塞(直到quit流入数据), 所以在quit之前每个goroutine不会主动让出CPU,也就发生了串行打印
  • 对于代码例子二(time的那个),每个goroutine在sleep被调用的时候会阻塞,让出CPU, 所以例子二并发执行。

那么关于我们开启多核的时候呢?Go语言对goroutine的调度行为又是怎么样的?

我们可以在Golang官方网站的这里 找到一句话:

When a coroutine blocks, such as by calling a blocking system call, the run-time automatically moves other coroutines on the same operating system thread to a different, runnable thread so they won't be blocked.

也就是说:

当一个goroutine发生阻塞,Go会自动地把与该goroutine处于同一系统线程的其他goroutines转移到另一个系统线程上去,以使这些goroutines不阻塞

开启多核的实验

仍然需要做一个实验,来测试下多核支持下goroutines的对原生线程的分配, 也验证下我们所得到的结论“goroutine不阻塞不放开CPU”。

实验代码如下:

package main

import (
"fmt"
"runtime"
) var quit chan int = make(chan int) func loop(id int) { // id: 该goroutine的标号
for i := 0; i < 10; i++ { //打印10次该goroutine的标号
fmt.Printf("%d ", id)
}
quit <- 0
} func main() {
runtime.GOMAXPROCS(2) // 最多同时使用2个核 for i := 0; i < 3; i++ { //开三个goroutine
go loop(i)
} for i := 0; i < 3; i++ {
<- quit
}
}

多跑几次会看到类似这些输出(不同机器环境不一样):

0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 2 0 2 0 2 2 2 2 2 2 2 2
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2

执行它我们会发现以下现象:

  • 有时会发生抢占式输出(说明Go开了不止一个原生线程,达到了真正的并行)
  • 有时会顺序输出, 打印完0再打印1, 再打印2(说明Go开一个原生线程,单线程上的goroutine不阻塞不松开CPU)

那么,我们还会观察到一个现象,无论是抢占地输出还是顺序的输出,都会有那么两个数字表现出这样的现象:

  • 一个数字的所有输出都会在另一个数字的所有输出之前

原因是, 3个goroutine分配到至多2个线程上,就会至少两个goroutine分配到同一个线程里,单线程里的goroutine 不阻塞不放开CPU, 也就发生了顺序输出。

评论:

回复:对于这个问题,我个人认为您对于go的scheduler如何在1个machine thead(物理线程)调度多个goroutine的理解是正确的,确实是:当一个goroutine一直在跑,不主动出让cpu(也没有io操作),按道理就会一直占据当前的物理线程。
但是,实际上并非如此,在不同的操作系统中,对于线程的调度算法是不一样的,特别是在linux系统中,有些操作系统会记录每个线程的运行时间,达到一定长度就会强制切换。并不是说一个有死循环的线程就可以一直占据一个cpu。
  1. package main
  2. import "fmt"
  3. var quit chan int
  4. func Print(ch string) {
  5. for i := 0; i < 10000; i++ {
  6. fmt.Print(ch)
  7. }
  8. quit <- 0
  9. }
  10. func main() {
  11. quit = make(chan int, 2)
  12. go Print("0")
  13. go Print("1")
  14. for i := 0; i < 2; i++ {
  15. <- quit
  16. }
  17. fmt.Println("END")
  18. }

可以看到01一定程度上交叉出现,说明了什么呢,go编译器在中间插入了调度代码?

回复nofreezou:好吧,突然我想到,fmt.Println也是一个io操作,可能里面切换到其他goroutine了- -|

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