Go 高级并发

如果你曾经使用过 Go 一段时间，那么你可能了解一些 Go 中的并发原语：

go 关键字用来生成 goroutines
channel 用于 goroutines 之间通信
context 用于传播取消
sync 和 sync/atomic 包用于低级别的原语，例如互斥锁和内存的原子操作
这些语言特性和包组合在一起，为构建高并发的应用程序提供了丰富的工具集。你可能还没有发现在扩展库 golang.org/x/sync 中，提供了一系列更高级别的并发原语。我们将在本文中来谈谈这些内容。

singleflight 包
正如文档中所描述，这个包提供了一个重复函数调用抑制的机制。

如果你正在处理计算量大（也可能仅仅是慢，比如网络访问）的用户请求时，这个包就很有用。例如，你的数据库中包含每个城市的天气信息，并且你想将这些数据以 API 的形式提供服务。在某些情况下，可能同时有多个用户想查询同一城市的天气。

在这种场景下，如果你只查询一次数据库然后将结果共享给所有等待的请求，这样不是更好吗？这就是 singleflight 提供的功能。

在使用的时候，我们需要要创建一个 singleflight.Group。它需要在所有请求中共享才能工作。然后将缓慢或者开销大的操作包装到 group.Do(key, fn) 的调用中。对同一个 key 的多个并发请求将仅调用 fn 一次，并且将 fn 的结果返回给所有调用者。

实际中的使用如下:

package weather

type Info struct {
TempC, TempF int // temperature in Celsius and Farenheit
Conditions string // “sunny”, “snowing”, etc
}

var group singleflight.Group

func City(city string) (Info, error) {
results, err, _ := group.Do(city, func() (interface{}, error) {
info, err := fetchWeatherFromDB(city) // 慢操作
return info, err
})
if err != nil {
return nil, fmt.Errorf(“weather.City %s: %w”, city, err)
}
return results.(Info), nil
}
需要注意的是，我们传递给 group.Do 的闭包必须返回 (interface{}, error) 才能和 Go 类型系统一起使用。上面的例子中忽略了 group.Do 的第三个返回值，该值是用来表示结果是否在多个调用方之间共享。

如果需要查看更多完整的例子，可以查看 Encore Playground 中的代码。

errgroup 包
另一个有用的包是 errgroup package。它和 sync.WaitGroup 比较相似，但是会将任务返回的错误回传给阻塞的调用方。

当你有多个等待的操作，但又想知道它们是否都已经成功完成时，这个包就很有用。还是以上面的天气为例，假如你要一次查询多个城市的天气，并且要确保其中所有的查询都成功返回。

首先定义一个 errgroup.Group，然后为每个城市都使用 group.Go(fn func() error) 方法。该方法会生成一个 goroutine 来执行这个任务。当生成你想执行的所有任务时，使用 group.Wait() 等待它们完成。需要注意和 sync.WaitGroup 有一点不同的是，该方法会返回错误。当且仅当所有任务都返回 nil 时，才会返回一个 nil 错误。

实际中的使用如下:

func Cities(cities …string) ([]Info, error) {
var g errgroup.Group
var mu sync.Mutex
res := make([]Info, len(cities)) // res[i] corresponds to cities[i]

for i, city := range cities {

    i, city := i, city // 为下面的闭包创建局部变量

    g.Go(func() error {

        info, err := City(city)

        mu.Lock()

        res[i] = info

        mu.Unlock()

        return err

    })

}

if err := g.Wait(); err != nil {

    return nil, err

}

return res, nil } 这里我们使用一个 res 切片来存储每个 goroutine 执行的结果。尽管上面的代码没有使用 mu 互斥锁也是线程安全的，但是每个 goroutine 都是在切片中自己的位置写入结果，因此我们不得不使用一个切片，以防代码变化。

限制并发
上面的代码将同时查找给定城市的天气信息。如果城市数量比较少，那还不错，但是如果城市数量很多，可能会导致性能问题。在这种情况下，就应该引入限制并发了。

在 Go 中使用 semaphores 信号量让实现限制并发变得非常简单。信号量是你学习计算机科学中可能已经遇到过的并发原语，如果没有遇到也不用担心。你可以出于多种目的来使用信号量，但是这里我们只使用它来追踪运行中的任务的数量，并阻塞直到有空间可以执行其他任务。

在 Go 中，我们可以使用 channel 来实现信号量的功能。如果我们一次需要最多执行 10 个任务，则需要创建一个容量为 10 的 channel：semaphore := make(chan struct{}, 10)。你可以想象它为一个可以容纳 10 个球的管道。

如果想执行一个新的任务，我们只需要给 channel 发送一个值：semaphore <- struct{}{}，如果已经有很多任务在运行的话，将会阻塞。这类似于将一个球推入管道，如果管道已满，则需要等待直到有空间为止。

当通过 <-semaphore 能从该 channel 中取出一个值时，这表示一个任务完成了。这类似于在管道另一端拿出一个球，这将为塞入下一个球提供了空间。

如描述一样，我们修改后的 Cities 代码如下：

func Cities(cities …string) ([]Info, error) {
var g errgroup.Group
var mu sync.Mutex
res := make([]Info, len(cities)) // res[i] corresponds to cities[i]
sem := make(chan struct{}, 10)
for i, city := range cities {
i, city := i, city // create locals for closure below
sem <- struct{}{}
g.Go(func() error {
info, err := City(city)
mu.Lock()
res[i] = info
mu.Unlock()
<-sem
return err
})
}
if err := g.Wait(); err != nil {
return nil, err
}
return res, nil
}
加权限制并发
最后，当你想要限制并发的时候，并不是所有任务优先级都一样。在这种情况下，我们消耗的资源将依据高、低优先级任务的分布以及它们如何开始运行而发生变化。

在这种场景下使用加权限制并发是一种不错的解决方式。它的工作原理很简单：我们不需要为同时运行的任务数量做预估，而是为每个任务提供一个 “cost”，并从信号量中获取和释放它。

我们不再使用 channel 来做这件事，因为我们需要立即获取并释放 “cost”。幸运的是，”扩展库” golang.org/x/sync/sempahore 实现了加权信号量。

sem <- struct{}{} 操作叫 “获取”，<-sem 操作叫 “释放”。你可能会注意到 semaphore.Acquire 方法会返回错误，那是因为它可以和 context 包一起使用来控制提前结束。在这个例子中，我们将忽略它。

实际上，天气查询的例子比较简单，不适用加权信号量，但是为了简单起见，我们假设 cost 变量随城市名称长度而变化。然后，我们修改如下：

func Cities(cities …string) ([]Info, error) {
ctx := context.TODO() // 需要的时候，可以用 context 替换
var g errgroup.Group
var mu sync.Mutex
res := make([]Info, len(cities)) // res[i] 对应 cities[i]
sem := semaphore.NewWeighted(100) // 并发处理 100 个字符
for i, city := range cities {
i, city := i, city // 为闭包创建局部变量
cost := int64(len(city))
if err := sem.Acquire(ctx, cost); err != nil {
break
}
g.Go(func() error {
info, err := City(city)
mu.Lock()
res[i] = info
mu.Unlock()
sem.Release(cost)
return err
})
}
if err := g.Wait(); err != nil {
return nil, err
} else if err := ctx.Err(); err != nil {
return nil, err
}
return res, nil
}