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Go-并行编程新手指南

article 2025/1/31 1:19:22

Go 并行编程新手指南

在Go语言中，并行编程是充分利用多核CPU资源、提升程序性能的重要手段。它的核心概念包括goroutine和channel，这些特性使得Go在处理并发任务时表现出色。

goroutine：轻量级的并发执行单元

goroutine是Go并行编程的基础。它类似于线程，但更为轻量级。与传统线程相比，创建和销毁goroutine的开销极小，且栈空间可按需动态增长。在Go语言中，只需在函数调用前加上go关键字，就能轻松创建一个新的goroutine。例如：

go list.Sort()

这样，list.Sort()函数就会在一个新的goroutine中并发执行，而不会阻塞当前的执行流程。你还可以使用函数字面量来创建更灵活的goroutine，像这样：

func Announce(message string, delay time.Duration) {
    go func() {
        time.Sleep(delay)
        fmt.Println(message)
    }()
}

这种方式常用于需要延迟执行或异步处理的场景。

channel：实现数据共享与同步的桥梁

channel用于在不同的goroutine之间进行通信和同步。它就像是一个管道，goroutine可以通过它发送和接收数据。channel分为无缓冲通道和有缓冲通道。无缓冲通道在发送和接收数据时会进行同步操作，即发送者会阻塞，直到有接收者接收数据；而有缓冲通道则允许在缓冲区未满时，发送者无需等待接收者即可发送数据。创建channel的方式如下：

ci := make(chan int)            // 无缓冲的整数通道
cs := make(chan *os.File, 100)  // 有100个元素缓冲的文件指针通道

在实际应用中，channel可以用于多种场景。比如，在并发任务完成时通知主线程，或者控制并发任务的执行数量。例如，我们可以使用一个channel来等待后台排序任务的完成：

c := make(chan int)
go func() {
    list.Sort()
    c <- 1
}()
// 其他操作
<-c

这里，主线程在执行到<-c时会阻塞，直到接收到来自goroutine的信号，表明排序任务已完成。

并行化计算：充分利用多核CPU

利用goroutine和channel，我们可以轻松实现并行化计算。假设我们有一个需要对大量数据进行处理的任务，并且每个数据的处理是相互独立的。我们可以将数据分成多个部分，每个部分由一个goroutine来处理，然后通过channel来协调这些goroutine的执行。例如：

type Vector []float64

func (v Vector) DoSome(i, n int, u Vector, c chan int) {
    for ; i < n; i++ {
        v[i] += u.Op(v[i])
    }
    c <- 1
}

func (v Vector) DoAll(u Vector) {
    const numCPU = 4
    c := make(chan int, numCPU)
    for i := 0; i < numCPU; i++ {
        go v.DoSome(i*len(v)/numCPU, (i+1)*len(v)/numCPU, u, c)
    }
    for i := 0; i < numCPU; i++ {
        <-c
    }
}

在这个例子中，DoAll函数将数据分成numCPU个部分，分别由不同的goroutine进行处理。每个goroutine完成任务后，会通过channel发送一个信号，DoAll函数会等待所有的信号，确保所有任务都完成后才返回。

避免常见错误：数据竞争与资源管理

在并行编程中，要特别注意避免数据竞争和资源管理不当的问题。由于多个goroutine可能同时访问共享资源，数据竞争可能导致程序出现不可预测的行为。在Go语言中，通过使用channel来传递数据，而不是直接共享内存，可以有效避免数据竞争。同时，合理管理goroutine的数量和资源的使用也非常重要。例如，在处理大量请求时，要避免创建过多的goroutine导致资源耗尽。可以使用有缓冲的channel作为信号量来控制并发请求的数量：

var sem = make(chan int, MaxOutstanding)

func handle(r *Request) {
    sem <- 1
    process(r)
    <-sem
}

func Serve(queue chan *Request) {
    for {
        req := <-queue
        go handle(req)
    }
}