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17 | go语句及其执行规则（下）

2018-09-19 郝林
Go语言核心36讲
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讲述：黄洲君

时长09:31大小4.36M

你好，我是郝林，今天我们继续分享 go 语句执行规则的内容。

在上一篇文章中，我们讲到了 goroutine 在操作系统的并发编程体系，以及在 Go 语言并发编程模型中的地位和作用等一系列内容，今天我们继续来聊一聊这个话题。

知识扩展

问题 1：怎样才能让主 goroutine 等待其他 goroutine？

我刚才说过，一旦主 goroutine 中的代码执行完毕，当前的 Go 程序就会结束运行，无论其他的 goroutine 是否已经在运行了。那么，怎样才能做到等其他的 goroutine 运行完毕之后，再让主 goroutine 结束运行呢？

其实有很多办法可以做到这一点。其中，最简单粗暴的办法就是让主 goroutine“小睡”一会儿。

for i := 0; i < 10; i++ {
	go func() {
		fmt.Println(i)
	}()
}
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
复制代码

在for语句的后边，我调用了time包的Sleep函数，并把time.Millisecond * 500的结果作为参数值传给了它。time.Sleep函数的功能就是让当前的 goroutine（在这里就是主 goroutine）暂停运行一段时间，直到到达指定的恢复运行时间。

我们可以把一个相对的时间传给该函数，就像我在这里传入的“500 毫秒”那样。time.Sleep函数会在被调用时用当前的绝对时间，再加上相对时间计算出在未来的恢复运行时间。显然，一旦到达恢复运行时间，当前的 goroutine 就会从“睡眠”中醒来，并开始继续执行后边的代码。

这个办法是可行的，只要“睡眠”的时间不要太短就好。不过，问题恰恰就在这里，我们让主 goroutine“睡眠”多长时间才是合适的呢？如果“睡眠”太短，则很可能不足以让其他的 goroutine 运行完毕，而若“睡眠”太长则纯属浪费时间，这个时间就太难把握了。

你可能会想到，既然不容易预估时间，那我们就让其他的 goroutine 在运行完毕的时候告诉我们好了。这个思路很好，但怎么做呢？

你是否想到了通道呢？我们先创建一个通道，它的长度应该与我们手动启用的 goroutine 的数量一致。在每个手动启用的 goroutine 即将运行完毕的时候，我们都要向该通道发送一个值。

注意，这些发送表达式应该被放在它们的go函数体的最后面。对应的，我们还需要在main函数的最后从通道接收元素值，接收的次数也应该与手动启用的 goroutine 的数量保持一致。关于这些你可以到 demo39.go 文件中，去查看具体的写法。

其中有一个细节你需要注意。我在声明通道sign的时候是以chan struct{}作为其类型的。其中的类型字面量struct{}有些类似于空接口类型interface{}，它代表了既不包含任何字段也不拥有任何方法的空结构体类型。

注意，struct{}类型值的表示法只有一个，即：struct{}{}。并且，它占用的内存空间是0字节。确切地说，这个值在整个 Go 程序中永远都只会存在一份。虽然我们可以无数次地使用这个值字面量，但是用到的却都是同一个值。

当我们仅仅把通道当作传递某种简单信号的介质的时候，用struct{}作为其元素类型是再好不过的了。顺便说一句，我在讲“结构体及其方法的使用法门”的时候留过一道与此相关的思考题，你可以返回去看一看。

再说回当下的问题，有没有比使用通道更好的方法？如果你知道标准库中的代码包sync的话，那么可能会想到sync.WaitGroup类型。没错，这是一个更好的答案。不过具体的使用方式我在后边讲sync包的时候再说。

问题 2：怎样让我们启用的多个 goroutine 按照既定的顺序运行？

在很多时候，当我沿着上面的主问题以及第一个扩展问题一路问下来的时候，应聘者往往会被这第二个扩展问题难住。

所以基于上一篇主问题中的代码，怎样做到让从0到9这几个整数按照自然数的顺序打印出来？你可能会说，我不用 goroutine 不就可以了嘛。没错，这样是可以，但是如果我不考虑这样做呢。你应该怎么解决这个问题？

当然了，众多应聘者回答的其他答案也是五花八门的，有的可行，有的不可行，还有的把原来的代码改得面目全非。我下面就来说说我的思路，以及心目中的答案吧。这个答案并不一定是最佳的，也许你在看完之后还可以想到更优的答案。

首先，我们需要稍微改造一下for语句中的那个go函数，要让它接受一个int类型的参数，并在调用它的时候把变量i的值传进去。为了不改动这个go函数中的其他代码，我们可以把它的这个参数也命名为i。

for i := 0; i < 10; i++ {
	go func(i int) {
		fmt.Println(i)
	}(i)
}
复制代码

只有这样，Go 语言才能保证每个 goroutine 都可以拿到一个唯一的整数。其原因与go函数的执行时机有关。

我在前面已经讲过了。在go语句被执行时，我们传给go函数的参数i会先被求值，如此就得到了当次迭代的序号。之后，无论go函数会在什么时候执行，这个参数值都不会变。也就是说，go函数中调用的fmt.Println函数打印的一定会是那个当次迭代的序号。

然后，我们在着手改造for语句中的go函数。

for i := uint32(0); i < 10; i++ {
	go func(i uint32) {
		fn := func() {
			fmt.Println(i)
		}
		trigger(i, fn)
	}(i)
}
复制代码

我在go函数中先声明了一个匿名的函数，并把它赋给了变量fn。这个匿名函数做的事情很简单，只是调用fmt.Println函数以打印go函数的参数i的值。

在这之后，我调用了一个名叫trigger的函数，并把go函数的参数i和刚刚声明的变量fn作为参数传给了它。注意，for语句声明的局部变量i和go函数的参数i的类型都变了，都由int变为了uint32。至于为什么，我一会儿再说。

再来说trigger函数。该函数接受两个参数，一个是uint32类型的参数i, 另一个是func()类型的参数fn。你应该记得，func()代表的是既无参数声明也无结果声明的函数类型。

trigger := func(i uint32, fn func()) {
	for {
		if n := atomic.LoadUint32(&count); n == i {
			fn()
			atomic.AddUint32(&count, 1)
			break
		}
		time.Sleep(time.Nanosecond)
	}
}
复制代码

trigger函数会不断地获取一个名叫count的变量的值，并判断该值是否与参数i的值相同。如果相同，那么就立即调用fn代表的函数，然后把count变量的值加1，最后显式地退出当前的循环。否则，我们就先让当前的 goroutine“睡眠”一个纳秒再进入下一个迭代。

注意，我操作变量count的时候使用的都是原子操作。这是由于trigger函数会被多个 goroutine 并发地调用，所以它用到的非本地变量count，就被多个用户级线程共用了。因此，对它的操作就产生了竞态条件（race condition），破坏了程序的并发安全性。

所以，我们总是应该对这样的操作加以保护，在sync/atomic包中声明了很多用于原子操作的函数。

另外，由于我选用的原子操作函数对被操作的数值的类型有约束，所以我才对count以及相关的变量和参数的类型进行了统一的变更（由int变为了uint32）。

纵观count变量、trigger函数以及改造后的for语句和go函数，我要做的是，让count变量成为一个信号，它的值总是下一个可以调用打印函数的go函数的序号。

这个序号其实就是启用 goroutine 时，那个当次迭代的序号。也正因为如此，go函数实际的执行顺序才会与go语句的执行顺序完全一致。此外，这里的trigger函数实现了一种自旋（spinning）。除非发现条件已满足，否则它会不断地进行检查。

最后要说的是，因为我依然想让主 goroutine 最后一个运行完毕，所以还需要加一行代码。不过既然有了trigger函数，我就没有再使用通道。

trigger(10, func(){})
复制代码

调用trigger函数完全可以达到相同的效果。由于当所有我手动启用的 goroutine 都运行完毕之后，count的值一定会是10，所以我就把10作为了第一个参数值。又由于我并不想打印这个10，所以我把一个什么都不做的函数作为了第二个参数值。

总之，通过上述的改造，我使得异步发起的go函数得到了同步地（或者说按照既定顺序地）执行，你也可以动手自己试一试，感受一下。

总结

在本篇文章中，我们接着上一篇文章的主问题，讨论了当我们想让运行结果更加可控的时候，应该怎样去做。

主 goroutine 的运行若过早结束，那么我们的并发程序的功能就很可能无法全部完成。所以我们往往需要通过一些手段去进行干涉，比如调用time.Sleep函数或者使用通道。我们在后面的文章中还会讨论更高级的手段。

另外，go函数的实际执行顺序往往与其所属的go语句的执行顺序（或者说 goroutine 的启用顺序）不同，而且默认情况下的执行顺序是不可预知的。那怎样才能让这两个顺序一致呢？其实复杂的实现方式有不少，但是可能会把原来的代码改得面目全非。我在这里提供了一种比较简单、清晰的改造方案，供你参考。

总之，我希望通过上述基础知识以及三个连贯的问题帮你串起一条主线。这应该会让你更快地深入理解 goroutine 及其背后的并发编程模型，从而更加游刃有余地使用go语句。

思考题

1.runtime包中提供了哪些与模型三要素 G、P 和 M 相关的函数？（模型三要素内容在上一篇）

戳此查看 Go 语言专栏文章配套详细代码。

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精选留言(32)

  • 来碗绿豆汤
    2018-09-19
    16
    我有一个更简单的实现方式， 如下
    func main(){
        ch := make(chan struct{})
        for i:=0; i < 100; i++{
            go func(i int){
                fmt.Println(i)
                ch <- struct{}{}
            }(i)
            <-ch
        }
    }
    这样，每次循环都包装goroutine 执行结束才进入下一次循环，就可以保证顺序执行了
    展开

    作者回复: 这些go函数的真正执行谁先谁后是不可控的，所以这样做不行的。

  • xiao豪
    2018-09-19
    12
    回楼上，atomic的加操作和读操作只有32位和64位整数型，所以必须要把int转为intxx。之所以这么做是因为int位数是根据系统决定的，而原子级操作要求速度尽可能的快，所以明确了整数的位数才能最大地提高性能。
  • Askerlve
    2018-09-19
    8
    package main

    import (
        "fmt"
        "sync/atomic"
    )

    func main() {
        var count uint32
        trigger := func(i uint32, fn func()) {
            for {
                if n := atomic.LoadUint32(&count); n == i {
                    fn()
                    atomic.AddUint32(&count, 1)
                    break
                }
            }
        }
        for i := uint32(0); i < 10; i++ {
            go func(i uint32) {
                fn := func() {
                    fmt.Println(i)
                }
                trigger(i, fn)
            }(i)
        }
        trigger(10, func() {})
    }

    测试了下，这个函数的输出不受控，并且好像永远也不会结束，有人能帮忙解释下吗，go小白~😀
    展开

    作者回复: 可以加个sleep

  • Askerlve
    2018-09-19
    4
    package main

    import (
        "fmt"
        "sync/atomic"
    )

    func main() {
        var count uint32
        trigger := func(i uint32, fn func()) {
            for {
                if n := atomic.LoadUint32(&count); n == i {
                    fn()
                    atomic.AddUint32(&count, 1)
                    break
                }
            }
        }
        for i := uint32(0); i < 10; i++ {
            go func(i uint32) {
                fn := func() {
                    fmt.Println(i)
                }
                trigger(i, fn)
            }(i)
        }
        trigger(10, func() {})
    }

    这个函数的执行还是不可控诶，并且好像永远也不会结束，是因为我的go版本问题吗？
    展开

    作者回复: Win下可能会有问题，你在bif语句后边加一句time.sleep(time.Nanosecond)。github上的代码我已经更新了。

  • 新垣结裤
    2018-09-21
    3
    func main() {
        num := 10
        chs := [num+1]chan struct{}{}
        for i := 0; i < num+1; i++ {
            chs[i] = make(chan struct{})
        }
        for i := 0; i < num; i++ {
            go func(i int) {
                <- chs[i]
                fmt.Println(i)
                chs[i+1] <- struct{}{}
            }(i)
        }
        chs[0] <- struct{}{}
        <- chs[num]
    }
    每个goroutine执行完通过channel通知下一个goroutine，在主goroutine里控制第一个goroutine的开始，并接收最后一个goroutine结束的信号
    展开

    作者回复: 搞这么多通道有些浪费啊。另外切片不是并发安全的数据类型，最好不要这样用。

  • 嗷大猫的鱼
    2018-09-20
    3
    老师，最近从头学习，前面一直没跟着动手，也没自己总结。这几天在整理每章的重点！

    https://github.com/wenxuwan/go36

    刚写完第二章，突然发现自己动手总结和只看差好多。我会继续保持喜欢总结！
    展开

    作者回复: 很好，加油！

  • 老茂
    2018-10-15
    2
    不加sleep程序不能正常结束的情况貌似跟cpu核数有关，我是4核cpu，打印0到2每次都可以正常执行；0到3以上就会有卡主的情况，卡主时cpu达到100%，load会超过4。猜测是不是此时所有cpu都在处理count==0的for循环，没有空闲的cpu执行atomic.AddUint32(&count, 1)？
    展开

    作者回复: Go语言调度goroutine是准抢占式的，虽然会防止某个goroutine运行太久，并做换下处理。但是像简单的死循环这种有可能会换下失败，尤其是windows下，这跟操作系统的底层支持有关。不过一般情况下不用担心。

  • cygnus
    2018-09-19
    2
    demo40的执行结果不是幂等的，程序经常无法正常结束退出，只有极少数几次有正确输出。

    作者回复: 你在win下执行的嘛？

  • sky
    2018-09-19
    2
    win64版本：go1.10.2
    linux64版本：go1.11

    linux下实际运行和预期一样，但为何win下会一直运行不会停止呢，且CPU也已经是100% 表示不解呀
    展开

    作者回复: 可以加个sleep。

  • 冰激凌的眼...
    2018-09-19
    2
    ‘’否则，我们就先让当前的 goroutine“睡眠”一个纳秒再进入下一个迭代。‘’

    示例代码里没有这个睡眠代码

    作者回复: 代码已经更新了。

  • 志鑫
    2019-05-11
    1
    //个人笔记：使用一个通道来控制
    package main

    import "fmt"

    func main() {
        const n = 10
        m := 0
        ch := make(chan int, 10) //通道长度0~10之间，能够影响性能
        for i := 0; i < n; i++ {
            go func(i int) {
                for v := <-ch; v != i; v = <-ch {
                    m++
                    ch <- v //如果不是自己的轮次，则把值再放回去
                }
                fmt.Println(i)
                ch <- i + 1
            }(i)
        }
        ch <- 0
        for v := <-ch; v != 10; v = <-ch {
            ch <- v
        }
        fmt.Println(m)
    }
    展开
  • 枫林火山
    2019-04-01
    1
    老师，关于顺序打印的demo40.go的优化版本，同来碗绿豆汤同学的实现
    package main

    import "fmt"

    func main() {

        var num = 10
        sign := make(chan struct{}, 1)

        for i := 0; i < num; i++ {
            go func(i int) {
                fmt.Println(i)
                sign <- struct{}{}
            }(i)
            <-sign
        }

    }
    这样写为什么不能保证同步，能不能再详细解释下呢。这个实现和您demo39.go 相比，只是合并了两处for循环，我看好多同学也有这个疑问，向您求解。
    demo40.go的实现相当于实现了每个异步线程的一个轮询loop。 上面的实现相当于单步间加了一个barrier。执行1->等待->执行2->等待。 实在没理解为什么不能保证同步
    展开

    作者回复: 我又看了一下“来碗绿豆汤”同学写的代码。我可能当时没看清楚，或者没说清楚。

    他写的这段代码单从“顺序打印数字”的要求上看是可以的。但是这样做就变成纯同步的流程了，go函数就完全没必要写了。把go函数中的代码拿出来、删掉go函数，再把通道的相关代码也删掉，岂不是更直截了当？像这样：

        for i := 0; i < num; i++ {
            fmt.Println(i)
        }

    这个题目的要求是“使得在for循环中启用的多个goroutine按照既定的顺序运行”。你也可以把它理解为“在异步的情况下顺序的打印数字”。所以，“来碗绿豆汤”同学写的代码只满足了其中一个要求，而没有让go函数们自由的异步执行。

    我的那个版本demo40.go是让各个go函数（确切地说，是它们调用的trigger函数）自行地检查所需条件，然后再在条件允许的情况下打印数字。这也叫“自旋”。这与纯同步的流程是有本质上的区别的。

  • Wind
    2019-03-05
    1
    func main(){
        ch := make(chan struct{})
        for i:=0; i < 100; i++{
            go func(i int){
                fmt.Println(i)
                ch <- struct{}{}
            }(i)
            <-ch
        }
    }
    亲测可以，而且循环的前提是必须上一个通道不阻塞的情况下才能继续，这样的确可以保证按顺序输出
    展开
  • SuperP ❤...
    2018-10-11
    1
    runtime.GOMAXPROCS 这个应该能控制P的数量
    展开

    作者回复: 对，可以。

  • timmy21
    2018-09-19
    1
    有一个问题不太清楚，当i和count不相等时，您提到了睡眠1纳秒，可是我没看到有相关的sleep被调用。这是如何做到的？
    展开

    作者回复: 代码已经更新了，漏掉了。

  • Zzz
    2019-05-15
    很多同学都提到在循环内部增加<-ch的方式保证上面的go语句执行完再继续下一次循环。这种方式虽然达到了顺序打印的效果，但是实际上整个程序只需要一个goroutine就可以完成：主函数阻塞时执行go语句，然后再唤醒主函数。
    展开
  • 肖恩
    2019-05-08
    第一遍看好多都看不懂，看到后边回过头来看，发现用自旋goroutine实现，真实奇妙；现在想想，除了文章中实现方式，可以用channel同步实现；还可以用sync.WaitGroup实现

    作者回复: 祝贺你升级了；）

  • Nixus
    2019-04-13
    func main() {
        ch := make(chan int, 10)
        for i := 0; i < 10; i++ {
            ch <- i
            go func() {
                fmt.Println(<-ch)
            }()
        }
        for {
            if len(ch) == 0 {
                break
            }
        }
    }
    展开

    作者回复: 这样做倒是可以顺序打印出数字，但是跟原题不太对应。另外，在正式的程序中，用 len(ch) 判断通道是否已经使用完毕不是一个好办法。

  • 左氧佛沙星...
    2019-04-06
    func main() {
        ch := make(chan int,100)
        for i := int(0); i < 100; i++ {
            go func() {
                fmt.Println(i)
                ch <- i
            }()
            <- ch
        }
    }
    这样不行吗？郝老师
    展开

    作者回复: 你这段代码里的go函数的真正执行顺序实际上是不确定的啊。

  • 枫林火山
    2019-04-01
    谢谢老师的讲解
    展开