# 併發

有人把 Go 比作 21 世紀的 C 語言，第一是因為 Go 語言設計簡單，第二，21 世紀最重要的就是並行程式設計，而 Go 從語言層面就支援了並行。

## goroutine

goroutine 是 Go 並行設計的核心。goroutine 說到底其實就是[協程](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%8F%E7%A8%8B) (Coroutine)，但是它比執行緒更小，十幾個 goroutine 可能體現在底層就是五六個執行緒，Go 語言內部幫你實現了這些 goroutine 之間的記憶體共享。執行 goroutine 只需極少的棧記憶體(大概是 4\~5KB)，當然會根據相應的資料伸縮。也正因為如此，可同時執行成千上萬個併發任務。goroutine 比 thread 更易用、更高效、更輕便。

goroutine 是透過 Go 的 runtime 管理的一個執行緒管理器。goroutine 透過 `go` 關鍵字實現了，其實就是一個普通的函式。

```go
go hello(a, b, c)
```

透過關鍵字 go 就啟動了一個 goroutine。我們來看一個例子

```go
package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func say(s string) {
    for i := 0; i < 5; i++ {
        runtime.Gosched()
        fmt.Println(s)
    }
}

func main() {
    go say("world") //開一個新的 Goroutines 執行
    say("hello") //當前 Goroutines 執行
}

// 以上程式執行後將輸出：
// hello
// world
// hello
// world
// hello
// world
// hello
// world
// hello
```

我們可以看到 go 關鍵字很方便的就實現了併發程式設計。 上面的多個 goroutine 執行在同一個程序裡面，共享記憶體資料，不過設計上我們要遵循：不要透過共享來通訊，而要透過通訊來共享。

> runtime.Gosched()表示讓 CPU 把時間片讓給別人，下次某個時候繼續恢復執行該 goroutine。
>
> 預設情況下，在 Go 1.5 將標識併發系統執行緒個數的 runtime.GOMAXPROCS 的初始值由 1 改為了執行環境的 CPU 核數。

但在 Go 1.5 以前排程器僅使用單執行緒，也就是說只實現了併發。想要發揮多核處理器的並行，需要在我們的程式中明確的呼叫 runtime.GOMAXPROCS(n) 告訴排程器同時使用多個執行緒。GOMAXPROCS 設定了同時執行邏輯程式碼的系統執行緒的最大數量，並回傳之前的設定。如果 n < 1，不會改變當前設定。

## channels

goroutine 執行在相同的地址空間，因此存取共享記憶體必須做好同步。那麼 goroutine 之間如何進行資料的通訊呢，Go 提供了一個很好的通訊機制 channel。channel 可以與 Unix shell 中的雙向管道做類別比：可以透過它傳送或者接收值。這些值只能是特定的型別：channel 型別。定義一個 channel 時，也需要定義傳送到 channel 的值的型別。注意，必須使用 make 建立 channel：

```go
ci := make(chan int)
cs := make(chan string)
cf := make(chan interface{})
```

channel 透過運算子`<-`來接收和傳送資料

```go
ch <- v    // 傳送 v 到 channel ch.
v := <-ch  // 從 ch 中接收資料，並賦值給 v
```

我們把這些應用到我們的例子中來：

```go
package main

import "fmt"

func sum(a []int, c chan int) {
    total := 0
    for _, v := range a {
        total += v
    }
    c <- total  // send total to c
}

func main() {
    a := []int{7, 2, 8, -9, 4, 0}

    c := make(chan int)
    go sum(a[:len(a)/2], c)
    go sum(a[len(a)/2:], c)
    x, y := <-c, <-c  // receive from c

    fmt.Println(x, y, x + y)
}
```

預設情況下，channel 接收和傳送資料都是阻塞的，除非另一端已經準備好，這樣就使得 Goroutines 同步變的更加的簡單，而不需要明確的 lock。所謂阻塞，也就是如果讀取（value := <-ch）它將會被阻塞，直到有資料接收。其次，任何傳送（ch<-5）將會被阻塞，直到資料被讀出。無緩衝 channel 是在多個 goroutine 之間同步很棒的工具。

## Buffered Channels

上面我們介紹了預設的非快取型別的 channel，不過 Go 也允許指定 channel 的緩衝大小，很簡單，就是 channel 可以儲存多少元素。ch:= make(chan bool, 4)，建立了可以儲存 4 個元素的 bool 型 channel。在這個 channel 中，前 4 個元素可以無阻塞的寫入。當寫入第 5 個元素時，程式碼將會阻塞，直到其他 goroutine 從 channel 中讀取一些元素，騰出空間。

```go
ch := make(chan type, value)
```

當 value = 0 時，channel 是無緩衝阻塞讀寫的，當 value > 0 時，channel 有緩衝、是非阻塞的，直到寫滿 value 個元素才阻塞寫入。

我們看一下下面這個例子，你可以在自己本機測試一下，修改相應的 value 值

```go
package main

import "fmt"

func main() {
    c := make(chan int, 2)//修改 2 為 1 就報錯，修改 2 為 3 可以正常執行
    c <- 1
    c <- 2
    fmt.Println(<-c)
    fmt.Println(<-c)
}
        //修改為 1 報如下的錯誤:
        //fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
```

## Range 和 Close

上面這個例子中，我們需要讀取兩次 c，這樣不是很方便，Go 考慮到了這一點，所以也可以透過 range，像操作 slice 或者 map 一樣操作快取型別的 channel，請看下面的例子

```go
package main

import (
    "fmt"
)

func fibonacci(n int, c chan int) {
    x, y := 1, 1
    for i := 0; i < n; i++ {
        c <- x
        x, y = y, x + y
    }
    close(c)
}

func main() {
    c := make(chan int, 10)
    go fibonacci(cap(c), c)
    for i := range c {
        fmt.Println(i)
    }
}
```

`for i := range c`能夠不斷的讀取 channel 裡面的資料，直到該 channel 被明確的關閉。上面程式碼我們看到可以明確的關閉 channel，生產者透過內建函式 `close` 關閉 channel。關閉 channel 之後就無法再發送任何資料了，在消費方可以透過語法`v, ok := <-ch`測試 channel 是否被關閉。如果 ok 回傳 false，那麼說明 channel 已經沒有任何資料並且已經被關閉。

> 記住應該在生產者的地方關閉 channel，而不是消費的地方去關閉它，這樣容易引起 panic
>
> 另外記住一點的就是 channel 不像檔案之類別的，不需要經常去關閉，只有當你確實沒有任何傳送資料了，或者你想明確的結束 range 迴圈之類別的

## Select

我們上面介紹的都是隻有一個 channel 的情況，那麼如果存在多個 channel 的時候，我們該如何操作呢，Go 裡面提供了一個關鍵字`select`，透過 `select` 可以監聽 channel 上的資料流動。

`select` 預設是阻塞的，只有當監聽的 channel 中有傳送或接收可以進行時才會執行，當多個 channel 都準備好的時候，select 會隨機選擇其中一個執行。

```go
package main

import "fmt"

func fibonacci(c, quit chan int) {
    x, y := 1, 1
    for {
        select {
        case c <- x:
            x, y = y, x + y
        case <-quit:
            fmt.Println("quit")
            return
        }
    }
}

func main() {
    c := make(chan int)
    quit := make(chan int)
    go func() {
        for i := 0; i < 10; i++ {
            fmt.Println(<-c)
        }
        quit <- 0
    }()
    fibonacci(c, quit)
}
```

在 `select` 裡面還有 default 語法，`select`其實就是類似 switch 的功能，default 就是當監聽的 channel 都沒有準備好的時候，預設執行的（select 不再阻塞等待 channel）。

```go
select {
case i := <-c:
    // use i
default:
    // 當 c 阻塞的時候執行這裡
}
```

## 超時

有時候會出現 goroutine 阻塞的情況，那麼我們如何避免整個程式進入阻塞的情況呢？我們可以利用 select 來設定超時，透過如下的方式實現：

```go
func main() {
    c := make(chan int)
    o := make(chan bool)
    go func() {
        for {
            select {
                case v := <- c:
                    println(v)
                case <- time.After(5 * time.Second):
                    println("timeout")
                    o <- true
                    break
            }
        }
    }()
    <- o
}
```

## runtime goroutine

runtime 套件中有幾個處理 goroutine 的函式：

* Goexit

  退出當前執行的 goroutine，但是 defer 函式還會繼續呼叫
* Gosched

  讓出當前 goroutine 的執行許可權，排程器安排其他等待的任務執行，並在下次某個時候從該位置恢復執行。
* NumCPU

  回傳 CPU 核數量
* NumGoroutine

  回傳正在執行和排隊的任務總數
* GOMAXPROCS

  用來設定可以平行計算的 CPU 核數的最大值，並回傳之前的值。

## links

* [目錄](https://github.com/doggy8088/build-web-application-with-golang-zhtw/tree/80abfb9f0c5f9f703922f4114d78f2e3c26a4dfb/preface.md)
* 上一章: [interface](https://willh.gitbook.io/build-web-application-with-golang-zhtw/02.0/02.6)
* 下一節: [總結](https://willh.gitbook.io/build-web-application-with-golang-zhtw/02.0/02.8)