探索Goroutine：Go語言的併發魔法

發佈於golang

更新於 2024/09/10發佈於 2023/09/11閱讀時間約 8 分鐘

👨‍💻簡介

在日常生活中，如果能同時做很多事情，效率肯定大大提升，那麼在Go語言中，該如何做到呢，答案就是今天的主角Goroutine了，在Go語言中，讓併發變得簡單的強大工具，今天就是來給他一個快速介紹。

什麼是Goroutine？

首先，讓我們以一個簡單的方式來解釋什麼是Goroutine。Goroutine是Go語言的一個特別的功能，它就像是小型的工作任務，可以讓我們同時處理很多事情，而不需要浪費太多電腦資源。可以把它想像成比傳統方式更聰明的方式來處理多項工作，而不會讓電腦變得超級忙碌。這種功能讓Go語言在處理大量同時執行的工作時變得非常強大。

如何創建和啟動Goroutine

要使用Goroutine很簡單，只需要創建一個函數，然後使用go關鍵字在要使用goroutine的函數前面就完成了。可以看以下範例：

package main

import (
 "fmt"
)
func main() {
 go sayHello()
 // 主程式不會等待Goroutine完成
}
func sayHello() {
 fmt.Println("Hello, Goroutine!")
}

在這個例子中，我們使用go關鍵字啟動一個新的Goroutine，Goroutine執行了sayHello函數。但須注意，主程式main不會等待Goroutine完成，所以可能不會看到有印出任何東西來。

可以稍微讓main主程式睡一下，就可以看到輸出了

package main

import (
 "fmt"
 "time"
)
func main() {
 go sayHello()
 time.Sleep(1)
}
func sayHello() {
 fmt.Println("Hello, Goroutine!")
}

Goroutine的執行過程

下面提供了一個簡單的小程式，在主程式裡有兩個goroutine，試著執行一下程式可以發現輸出是一段一段的，會是0跟1交錯印出，代表兩邊的goroutine會搶著印出，呈現競爭狀態

package main

import (
 "fmt"
 "time"
)
func main() {
 go print1()
 go print2()
 time.Sleep(time.Second)
}
func print1() {
 for i := 0; i < 100; i++ {
  fmt.Print("0")
 }
}
func print2() {
 for i := 0; i < 100; i++ {
  fmt.Print("1")
 }
}

Goroutine之間的通信

併發往往涉及到多個任務之間的通信。這就是通道（Channel）的用武之地。通道是一種特殊的資料結構，用於在不同的Goroutine之間傳遞資料：

package main

import (
 "fmt"
 "time"
)
func main() {
 ch := make(chan string)
 go sendData(ch)
 go receiveData(ch)
 time.Sleep(2 * time.Second) // 等待Goroutines完成
}
func sendData(ch chan string) {
 ch <- "Hello from Goroutine!"
}
func receiveData(ch chan string) {
 msg := <-ch
 fmt.Println(msg)
}

在這個例子中，我們先創建了一個通道ch，然後使用通道在兩個Goroutine之間傳遞消息。通道的溝通可以看到範例，<- chan 代表將資料從channel中取出，而chan <- 則代表將資料放進channel

Goroutine同步與等待

通常情況下，我們希望主程式能夠等待所有的Goroutine完成，以確保結果的完整性。這就是WaitGroup的作用：

sync.WaitGroup

這個函數的主要功能是讓主程式等待所有的Goroutine完成，然後再繼續執行接下來的程式，主要有以下幾種方法

Add(delta int)：用來增加計數器的值，表示有多少個Goroutine需要等待。
Done()：用來減少計數器的值，表示一個Goroutine已經完成。通常在Goroutine執行完後使用 Done。
Wait()：用來將計數器歸零。當計數器的值為零時，Wait 函數會返回，並允許主程式繼續執行。

接著讓我們來看一下範例：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
)
func main() {
 // 創建一個WaitGroup
 var wg sync.WaitGroup
 // 啟動5個Goroutine
 for i := 0; i < 5; i++ {
  wg.Add(1) // 增加計數器
  go worker(i, &wg)
 }
 wg.Wait() // 等待所有Goroutines完成
 fmt.Println("All Goroutines have finished.")
}
func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {
 defer wg.Done() // 減少計數器
 fmt.Printf("Worker %d is done\n", id)
}

可以看到，我們使用WaitGroup來等待所有的Goroutine完成，確保我的主程式可以完整執行而不會提前退出。

Goroutine 的特性與限制

特性

資源消耗極低：Goroutine 的創建相對輕量，主要消耗少量stack空間。這意味著你可以創建大量的 goroutine 而不必擔心資源耗盡的問題。
有效的線程管理：當一個 goroutine 被阻塞時，相應的管理線程將被擱置，但運行時會將其他 goroutine 分配給這個線程，使其繼續執行其他工作。這種機制確保了線程的高效使用，避免了資源浪費。
最大線程數限制：你可以透過設定 $GOMAXPROCS 來限制系統中的線程數量，確保它們不會無節制地增加。這有助於避免系統資源的過度消耗。

限制

Goroutine 數量限制：理論上，Go 語言可以創建極多的 Goroutine，但實際上，系統的可用資源（記憶體和 CPU）是有限的。因此，你需要謹慎控制 Goroutine 的數量，以避免過多的併發造成資源耗盡或性能下降。
競爭條件和死鎖：Goroutine 的併發操作需要謹慎處理共享資源，否則可能出現競爭條件（race condition）和死鎖（deadlock）。這不是直接的限制，但是在 Goroutine 的設計和使用中需要特別注意，以確保程式的正確性。