并發(fā)編程是當(dāng)前軟件領(lǐng)域中不可忽視的一個關(guān)鍵概念。隨著CPU等硬件的不斷發(fā)展，我們都渴望讓我們的程序運行速度更快、更快。而Go語言在語言層面天生支持并發(fā)，充分利用現(xiàn)代CPU的多核優(yōu)勢，這也是Go語言能夠廣泛流行的一個重要原因。
在JAVA中，要支持高并發(fā)有幾種方案可供選擇。首先，我們可以通過開啟多部署節(jié)點集群來增加高并發(fā)處理能力，通過增加機器硬件來實現(xiàn)。其次，我們可以在單節(jié)點上開啟多線程來處理請求。然而，即使在單節(jié)點內(nèi)創(chuàng)建線程也是非常耗費資源的。因此，通常情況下我們會使用線程池來管理線程的創(chuàng)建和銷毀。然而，有一個公式你可能會很熟悉，即核心線程數(shù)等于CPU核數(shù)的一半加一。這意味著我們并不是線程創(chuàng)建得越多，對于我們的Java程序就越好。
在我們明確了問題的痛點之后，我們可以進(jìn)一步探究一下Go語言是如何解決這些問題，并且將高并發(fā)作為Go語言的一項特色功能。
goroutine
我們在Java中開啟線程的方式是直接創(chuàng)建一個Thread對象。然而，在Go語言中，如果我們想要實現(xiàn)異步處理，我們可以使用"go"關(guān)鍵字來開啟一個goroutine協(xié)程。協(xié)程的最大優(yōu)勢在于其輕量級，可以輕松創(chuàng)建上百萬個協(xié)程而不會導(dǎo)致系統(tǒng)資源的耗盡，而線程和進(jìn)程通常最多也不能超過1萬個。舉個例子：
go f() // 創(chuàng)建一個新的 goroutine 運行函數(shù)f
在Go語言中，我們可以非常簡單地使用關(guān)鍵字"go"來開啟一個協(xié)程，從而實現(xiàn)異步處理函數(shù)f。只需在函數(shù)f的調(diào)用前面加上"go"關(guān)鍵字，就能使得該函數(shù)在一個獨立的協(xié)程中異步執(zhí)行。
不僅可以使用"go"關(guān)鍵字來開啟一個協(xié)程異步執(zhí)行具名函數(shù)，還可以使用"go"關(guān)鍵字來開啟一個協(xié)程異步執(zhí)行匿名函數(shù)。
go func(){
// ...
}()
今天我們的重點不在這里，而是要討論為什么Go語言適合處理高并發(fā)的情況。我們都知道，操作系統(tǒng)的CPU最小調(diào)度單位是線程，然而Go語言卻使用了協(xié)程的概念。那么問題來了，Go語言是如何將這些協(xié)程交給CPU來處理的呢？如果無法將它們交給CPU處理，那么就算再創(chuàng)建多少協(xié)程也無法運行代碼。在這里，我們就需要了解一下Go語言的調(diào)度器，也就是GPM調(diào)度模型。
GPM調(diào)度模型
可以借鑒一下以下圖例，總的來說，我們可以像線程池一樣，無論創(chuàng)建了多少協(xié)程，都需要將它們放入隊列中。然后，剩下的任務(wù)就交給調(diào)度器來處理。
圖片
其中：
- G：使用關(guān)鍵字"go"加上一個函數(shù)調(diào)用可以創(chuàng)建一個goroutine（簡稱G）。每次調(diào)用"go f()"都會創(chuàng)建一個新的G，其中包含要執(zhí)行的函數(shù)f以及相關(guān)的上下文信息。
- 全局隊列（Global Queue）是用來存放等待運行的 G（Goroutine）的地方。
- P 是指 goroutine 執(zhí)行所需的物理資源，每個 P 最多可以承載 GOMAXPROCS 個 goroutine 的執(zhí)行。
- P 的本地隊列是類似于全局隊列的，它存放了等待運行的G，并且數(shù)量限制在256個以內(nèi)。每當(dāng)新建一個G時，優(yōu)先將其加入到P的本地隊列中，如果本地隊列已滿，則會批量移動部分G到全局隊列中。
- 為了使線程能夠執(zhí)行任務(wù)，需要通過獲取調(diào)度器（P）來獲取任務(wù)（G）。線程首先嘗試從調(diào)度器的本地隊列獲取任務(wù)，如果本地隊列為空，則線程會嘗試從全局隊列或其他調(diào)度器的本地隊列獲取任務(wù)。一旦線程獲取到任務(wù)，就會執(zhí)行任務(wù)，并在任務(wù)執(zhí)行完畢后再次從調(diào)度器獲取下一個任務(wù)，持續(xù)重復(fù)這個過程。
Goroutine 調(diào)度器和操作系統(tǒng)調(diào)度器通過 M 結(jié)合起來，形成了調(diào)度的基本單位。在這個結(jié)合中，每個 M 代表一個內(nèi)核線程，而操作系統(tǒng)調(diào)度器則負(fù)責(zé)將這些內(nèi)核線程分配到 CPU 的核心上進(jìn)行執(zhí)行。
channel
單純地將函數(shù)并發(fā)執(zhí)行是沒有意義的，因為函數(shù)與函數(shù)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，才能真正體現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行函數(shù)的意義。
雖然可以利用共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但是在不同的 goroutine 中使用共享內(nèi)存容易導(dǎo)致競態(tài)問題的出現(xiàn)。為了確保數(shù)據(jù)交換的正確性，許多并發(fā)模型都需要通過使用互斥量對內(nèi)存進(jìn)行加鎖來解決這個問題。然而，這種做法往往會帶來性能問題，因為加鎖操作會引入額外的開銷。
Go語言采用的并發(fā)模型是CSP（Communicating Sequential Processes），這個模型強調(diào)了通過通信共享內(nèi)存的方式來實現(xiàn)并發(fā)，而不是通過共享內(nèi)存來實現(xiàn)通信。這種設(shè)計理念使得Go語言在處理并發(fā)任務(wù)時更加高效和安全。
如果說 goroutine 是Go程序中實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行的主體，那么channel就是連接這些goroutine之間的紐帶。channel是一種能夠使得一個goroutine向另一個goroutine發(fā)送特定值的通信機制。
Mutex（互斥鎖）在實現(xiàn)上也是使用了重量級鎖。與Java的互斥鎖相比，Go語言的Mutex有以下幾點區(qū)別：
內(nèi)存開銷：Go語言的Mutex相對較輕量，使用較少的內(nèi)存。這是因為Go語言的Mutex只包含一個字段，用于表示鎖的狀態(tài)，而Java的互斥鎖通常包含更多的字段和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
鎖的語法：在Go語言中，可以使用mutex.Lock()和mutex.Unlock()方法來手動控制鎖的獲取和釋放，這樣可以更靈活地控制鎖的粒度。而在Java中，使用synchronized關(guān)鍵字來實現(xiàn)互斥鎖，鎖的粒度相對固定，只能對整個方法或代碼塊進(jìn)行加鎖。
鎖的性能：由于Go語言的Mutex較為輕量，并且采用了更高效的實現(xiàn)方式，比如以下幾個方面：
- 自旋鎖：在低并發(fā)的情況下，Go語言的Mutex會采用自旋鎖的方式。自旋鎖是一種忙等待的鎖，當(dāng)一個Goroutine嘗試獲取鎖時，如果鎖已經(jīng)被其他Goroutine持有，則該Goroutine會一直循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)，直到成功獲取鎖。這種方式避免了線程切換的開銷，提高了性能。
- 優(yōu)化的調(diào)度策略：Go語言的調(diào)度器在處理Goroutine的調(diào)度時會進(jìn)行優(yōu)化，盡量將鎖的持有者與等待者調(diào)度到同一個處理器（P）上執(zhí)行，減少線程之間的上下文切換和鎖競爭的開銷。
- 等待隊列：當(dāng)一個Goroutine無法獲取到Mutex鎖時，它會進(jìn)入等待隊列，等待鎖的釋放。Go語言的Mutex的等待隊列是基于鏈表實現(xiàn)的，相比Java的互斥鎖使用的等待隊列，具有更低的內(nèi)存開銷和更高的效率。
總結(jié)
并發(fā)編程是當(dāng)前軟件領(lǐng)域中一個重要的概念。Go語言通過goroutine和channel的特性，天生支持高并發(fā)處理，充分利用現(xiàn)代CPU的多核優(yōu)勢。與Java相比，Go語言的協(xié)程更加輕量級，可以輕松創(chuàng)建上百萬個協(xié)程。Go語言的調(diào)度器采用GPM調(diào)度模型，通過將協(xié)程放入隊列中，由調(diào)度器分配給CPU處理。此外，Go語言采用CSP模型，通過channel實現(xiàn)協(xié)程之間的通信，避免了共享內(nèi)存帶來的競態(tài)問題。相比之下，Go語言的Mutex鎖更輕量、靈活，并且具有更高的性能。總的來說，Go語言適合處理高并發(fā)的情況，成為了當(dāng)前軟件開發(fā)領(lǐng)域的熱門語言之一。
