[Go] Go中最強的的魔法: 併發程式執行

當 Google 工程師設計 Go 語言時，他們明確將多核支援和原生併發支援定為其核心設計目標，同時將併發作為 Go 的設計哲學的一部分。Go 語言一經公開發布，其對併發的原生支援便立刻成為開發者們最為關注的特色之一。

想要掌握 Go 的併發特性，首先需要了解兩個方面：併發的基本概念和 Go 如何實現對併發的支持，包括 goroutine、channel 和 select 等語言特性。

本篇文章將首先介紹 goroutine 的基礎知識及其使用注意事項，讓讀者對 Go 的併發特性有一個初步的認識，之後將進一步深入探討。

併發是在設計和實現應用時必須考慮的問題。併發設計將應用分為多個可以獨立執行且互相協作的Component。

在傳統的多執行緒設計語言中，如 C 或 C++，應用通常是基於多執行緒模型設計的。然而，這些語言並不是為了支援併發而生，並沒有提供太多針對併發的幫助。這些語言主要使用作業系統的執行緒來執行分解後的程式碼片段，並由作業系統負責調度。這種傳統的支援方式存在許多缺點：

首先是複雜性。

執行緒的創建相對容易，但退出則困難重重。如果你有 C/C++ 的開發經驗，你會知道，儘管創建執行緒時需要傳入多個參數，這還算是可以接受的。但一旦涉及到執行緒的退出，就必須考慮是否要讓新執行緒與主執行緒分離（detach），或是讓主執行緒等待子執行緒結束並獲取其狀態（join）。另外，還可能需要在新執行緒中設置取消點（cancel point），以確保在被主執行緒取消時能順利終止。

此外，併發執行緒間的通信困難且易出錯。雖然執行緒間的通信有多種選擇，但使用起來往往複雜。一旦涉及到共享記憶體，就必須使用各種鎖和互斥機制，常常導致死鎖。此外，還需要設置執行緒stack的大小，開發者必須選擇是使用默認設定還是自定義。

第二是難於規模化（scaling）。

儘管執行緒的資源占用已經小於Process，但大量創建執行緒仍然不可行。每個執行緒的資源占用不小，作業系統在調度執行緒時也會消耗大量資源，大量的上下文切換（Context Switch）是導致系統Perfromnace降級的主要原因之一。

許多網絡服務程式由於無法大量創建執行緒，只能選擇在少量執行緒中實現網絡多路復用，使用 epoll/kqueue/IoCompletionPort 這類機制。雖然有 libevent 和 libev 這樣的第三方Library提供幫助，但編寫這類程式仍然非常困難，存在大量的webhook和callback，給開發者帶來了巨大的心理負擔。

Go 語言以其「原生支持併發」的特性而著稱。相對於基於執行緒的併發設計模型，Go 提供了哪些改進呢？接下來讓我們一探究竟。

Go 的併發解決方案：goroutine

與傳統的作業系統執行緒不同，Go 並沒有選擇它們作為程式的執行單元。而是實現了 goroutine，這是一種由 Go 的運行時（runtime）調度的輕量用戶級執行緒，它為併發程式設計提供了原生的支持。

goroutine 的優勢包括：

資源占用少，每個 goroutine 的初始棧大小僅為 2KB；
由 Go runtime 調度，而不是作業系統，實現了更低的上下文切換成本；
不通過OS Kernel API，而是直接在語言層面支持。使用 go 關鍵字即可創建 goroutine，執行結束後自動回收，提供了更好的開發體驗；
內置的 channel 作為 goroutine 間的通信機制，支撐強大的併發設計。

相對於傳統編程語言，Go 語言從設計之初就將併發作為一個核心考慮因素，讓併發設計的應用能夠更自然地適應環境變化和資源擴展。

接下來，讓我們進一步探索如何在 Go 中有效使用 goroutine。

goroutine 的基本用法

首先，我們通過 go 關鍵字加上函數或方法來創建 goroutine。創建後的 goroutine 會擁有獨立的程式碼執行workflow，並與其創建者一起由 Go 運行時進行調度。以下是一些創建 goroutine 的程式碼示例：

go fmt.Println("I am a goroutine")

var c = make(chan int)
go func(a, b int) {
    c <- a + b
}(3,4)

// $GOROOT/src/net/http/server.go
c := srv.newConn(rw)
go c.serve(connCtx)

可以看到，我們可以基於已有的具名函數或Method創建 goroutine，也可以基於匿名函數創建。知道了如何創建，那我們怎麼終止 goroutine 呢？

goroutine 的運行成本很低，因此 Go 官方建議盡量多使用 goroutine。在大多數情況下，我們無需擔心控制 goroutine 的終止：一旦執行函數返回，goroutine 就會退出。

如果主 goroutine（main goroutine）結束了，那整個應用程式也會隨之結束。此外，即使 goroutine 執行的函數有返回值，Go 也會忽略這些返回值。因此，如果需要取得 goroutine 執行結果的返回值，則需考慮其他方法，例如通過 goroutine 間的通信實現。

接下來，讓我們探討一下 goroutine 間的通信方法。

goroutine 間的通信

傳統的程式語言（例如 C++、Java、Python 等）不是為了支持併發而設計的，因此它們的併發邏輯多是基於作業系統的執行緒。這些執行緒間的通信，主要利用作業系統提供的API和設計結構，如共享記憶體、Signal、Pipe、消息隊列、socket等。

在這些通信方式中，最常用也是最有效率的是基於共享記憶體的方式，通常還涉及到作業系統提供的執行緒同步機制（例如鎖和原子操作）。然而，傳統的基於共享記憶體的併發模型難以使用，容易出錯，尤其是在大型或複雜的程式中。開發人員在設計這類程式時不僅要建模執行緒間的通信方式，還要設計執行緒間的同步機制，並考慮多執行緒的記憶體管理、防止死鎖以及最不容易被debug的race-condition等問題。

這為開發人員帶來了巨大的壓力，使得基於這類傳統併發模型的程式難以編寫、閱讀、理解和維護。一旦程式出現問題，查找 Bug 的過程將非常漫長且艱難。

而 Go 語言從一開始就致力於解決這些問題，引入了基於 goroutine 的通信keyword——channel。goroutine 可以從 channel 接收輸入數據，處理後再通過 channel 發送結果數據。channel 使得連接和組織大型併發系統變得更簡單清晰，我們不需要再為傳統共享記憶體併發模型中的問題煩惱。

例如，我們可以使用 channel 來獲取 goroutine 的退出狀態：

func spawn(f func() error) <-chan error {
    c := make(chan error)

    go func() {
        c <- f()
    }()

    return c
}

func main() {
    c := spawn(func() error {
        time.Sleep(2 * time秒)
        return errors.New("timeout")
    })
    fmt.Println(<-c)
}

這個示例中，在 main goroutine 和子 goroutine 之間建立了一個返回類型為 error 的 channel，子 goroutine 在退出時會將其函數執行的錯誤結果發送到這個 channel 中，main goroutine 通過讀取 channel 的值來獲取子 goroutine 的退出狀態。

Go 也支持傳統的基於共享記憶體的併發模型，提供了基本的低級別同步方法（主要是 sync 包中的互斥鎖、條件變量、讀寫鎖和原子操作等）。

總結

Go 語言原生支持併發，其設計簡單且資源佔用低，他是user space層面的多執行序而不需要作業系統介入。
通過 go 關鍵字創建的 goroutine 提供了比傳統執行緒更高的性能。
內置的 channel 為 goroutine 之間提供了高效的通信方式，簡化了併發程式的設計和數據共享問題。

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