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第九节 并行计算

优质
小牛编辑
131浏览
2023-12-01

如果说Go有什么让人一见钟情的特性，那大概就是并行计算了吧。

做个题目

如果我们列出10以下所有能够被3或者5整除的自然数，那么我们得到的是3，5，6和9。这四个数的和是23。
那么请计算1000以下（不包括1000）的所有能够被3或者5整除的自然数的和。

这个题目的一个思路就是：

(1) 先计算1000以下所有能够被3整除的整数的和A，
(2) 然后计算1000以下所有能够被5整除的整数和B，
(3) 然后再计算1000以下所有能够被3和5整除的整数和C，
(4) 使用A+B-C就得到了最后的结果。

按照上面的方法，传统的方法当然就是一步一步计算，然后再到第(4)步汇总了。

但是一旦有了Go，我们就可以让前面三个步骤并行计算，然后再在第(4)步汇总。

并行计算涉及到一个新的数据类型chan和一个新的关键字go。

先看例子：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func get_sum_of_divisible(num int, divider int, resultChan chan int) {
  9.     sum := 0
  10.     for value := 0; value < num; value++ {
  11.         if value%divider == 0 {
  12.             sum += value
  13.         }
  14.     }
  15.     resultChan <- sum
  16. }
  18. func main() {
  19.     LIMIT := 10
  20.     resultChan := make(chan int, 3)
  21.     t_start := time.Now()
  22.     go get_sum_of_divisible(LIMIT, 3, resultChan)
  23.     go get_sum_of_divisible(LIMIT, 5, resultChan)
  24.     //这里其实那个是被3整除，哪个是被5整除看具体调度方法，不过由于是求和，所以没关系
  25.     sum3, sum5 := <-resultChan, <-resultChan
  27.     //单独算被15整除的
  28.     go get_sum_of_divisible(LIMIT, 15, resultChan)
  29.     sum15 := <-resultChan
  31.     sum := sum3 + sum5 - sum15
  32.     t_end := time.Now()
  33.     fmt.Println(sum)
  34.     fmt.Println(t_end.Sub(t_start))
  35. }

(1) 在上面的例子中，我们首先定义了一个普通的函数get_sum_of_divisible，这个函数的最后一个参数是一个整型chan类型，这种类型，你可以把它当作一个先进先出的队列。你可以向它写入数据，也可以从它读出数据。它所能接受的数据类型就是由chan关键字后面的类型所决定的。在上面的例子中，我们使用<-运算符将函数计算的结果写入channel。channel是go提供的用来协程之间通信的方式。本例中main是一个协程，三个get_sum_of_divisible调用是协程。要在这四个协程间通信，必须有一种可靠的手段。

(2) 在main函数中，我们使用go关键字来开启并行计算。并行计算是由goroutine来支持的，goroutine又叫做协程，你可以把它看作为比线程更轻量级的运算。开启一个协程很简单，就是go关键字后面跟上所要运行的函数。

(3) 最后，我们要从channel中取出并行计算的结果。使用<-运算符从channel里面取出数据。

在本例中，我们为了演示go并行计算的速度，还引进了time包来计算程序执行时间。在同普通的顺序计算相比，并行计算的速度是非同凡响的。

好了，上面的例子看完，我们来详细讲解Go的并行计算。

Go Routine 协程

所谓协程，就是Go提供的轻量级的独立运算过程，比线程还轻。创建一个协程很简单，就是go关键字加上所要运行的函数。看个例子：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5. )
  7. func list_elem(n int) {
  8.     for i := 0; i < n; i++ {
  9.         fmt.Println(i)
  10.     }
  11. }
  12. func main() {
  13.     go list_elem(10)
  14. }

上面的例子是创建一个协程遍历一下元素。但是当你运行的时候，你会发现什么都没有输出！为什么呢？
因为上面的main函数在创建完协程后就立刻退出了，所以协程还没有来得及运行呢！修改一下：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5. )
  7. func list_elem(n int) {
  8.     for i := 0; i < n; i++ {
  9.         fmt.Println(i)
  10.     }
  11. }
  12. func main() {
  13.     go list_elem(10)
  14.     var input string
  15.     fmt.Scanln(&input)
  16. }

这里，我们在main函数创建协程后，要求用户输入任何数据后才退出，这样协程就有了运行的时间，故而输出结果：

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
  5. 4
  6. 5
  7. 6
  8. 7
  9. 8
  10. 9

其实在开头的例子里面，我们的main函数事实上也被阻塞了，因为sum3, sum5, sum15 := <-resultChan, <-resultChan, <-resultChan这行代码在channel里面没有数据或者数据个数不符的时候，都会阻塞在那里，直到协程结束，写入结果。

不过既然是并行计算，我们还是得看看协程是否真的并行计算了。

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "math/rand"
  6.     "time"
  7. )
  9. func list_elem(n int, tag string) {
  10.     for i := 0; i < n; i++ {
  11.         fmt.Println(tag, i)
  12.         tick := time.Duration(rand.Intn(100))
  13.         time.Sleep(time.Millisecond * tick)
  14.     }
  15. }
  16. func main() {
  17.     go list_elem(10, "go_a")
  18.     go list_elem(20, "go_b")
  19.     var input string
  20.     fmt.Scanln(&input)
  21. }

输出结果

  1. go_a 0
  2. go_b 0
  3. go_a 1
  4. go_b 1
  5. go_a 2
  6. go_b 2
  7. go_b 3
  8. go_b 4
  9. go_a 3
  10. go_b 5
  11. go_b 6
  12. go_a 4
  13. go_a 5
  14. go_b 7
  15. go_a 6
  16. go_a 7
  17. go_b 8
  18. go_b 9
  19. go_a 8
  20. go_b 10
  21. go_b 11
  22. go_a 9
  23. go_b 12
  24. go_b 13
  25. go_b 14
  26. go_b 15
  27. go_b 16
  28. go_b 17
  29. go_b 18
  30. go_b 19

在上面的例子中，我们让两个协程在每输出一个数字的时候，随机Sleep了一会儿。如果是并行计算，那么输出是无序的。从上面的例子中，我们可以看出两个协程确实并行运行了。

Channel通道

Channel提供了协程之间的通信方式以及运行同步机制。

假设训练定点投篮和三分投篮，教练在计数。

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func fixed_shooting(msg_chan chan string) {
  9.     for {
  10.         msg_chan <- "fixed shooting"
  11.         fmt.Println("continue fixed shooting...")
  12.     }
  13. }
  15. func count(msg_chan chan string) {
  16.     for {
  17.         msg := <-msg_chan
  18.         fmt.Println(msg)
  19.         time.Sleep(time.Second * 1)
  20.     }
  21. }
  23. func main() {
  24.     var c chan string
  25.     c = make(chan string)
  27.     go fixed_shooting(c)
  28.     go count(c)
  30.     var input string
  31.     fmt.Scanln(&input)
  32. }

输出结果为：

  1. fixed shooting
  2. continue fixed shooting...
  3. fixed shooting
  4. continue fixed shooting...
  5. fixed shooting
  6. continue fixed shooting...

我们看到在fixed_shooting函数里面我们将消息传递到channel，然后输出提示信息”continue fixed shooting…”，而在count函数里面，我们从channel里面取出消息输出，然后间隔1秒再去取消息输出。这里面我们可以考虑一下，如果我们不去从channel中取消息会出现什么情况？我们把main函数里面的go count(c)注释掉，然后再运行一下。发现程序再也不会输出消息和提示信息了。这是因为channel中根本就没有信息了，因为如果你要向channel里面写信息，必须有配对的取信息的一端，否则是不会写的。

我们再把三分投篮加上。

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func fixed_shooting(msg_chan chan string) {
  9.     for {
  10.         msg_chan <- "fixed shooting"
  11.     }
  12. }
  14. func three_point_shooting(msg_chan chan string) {
  15.     for {
  16.         msg_chan <- "three point shooting"
  17.     }
  18. }
  20. func count(msg_chan chan string) {
  21.     for {
  22.         msg := <-msg_chan
  23.         fmt.Println(msg)
  24.         time.Sleep(time.Second * 1)
  25.     }
  26. }
  28. func main() {
  29.     var c chan string
  30.     c = make(chan string)
  32.     go fixed_shooting(c)
  33.     go three_point_shooting(c)
  34.     go count(c)
  36.     var input string
  37.     fmt.Scanln(&input)
  38. }

输出结果为：

  1. fixed shooting
  2. three point shooting
  3. fixed shooting
  4. three point shooting
  5. fixed shooting
  6. three point shooting

我们看到程序交替输出定点投篮和三分投篮，这是因为写入channel的信息必须要读取出来，否则尝试再次写入就失败了。

在上面的例子中，我们发现定义一个channel信息变量的方式就是多加一个chan关键字。并且你能够向channel写入数据和从channel读取数据。这里我们还可以设置channel通道的方向。

Channel通道方向*

所谓的通道方向就是写和读。如果我们如下定义

  1. c chan<- string //那么你只能向channel写入数据

而这种定义

  1. c <-chan string //那么你只能从channel读取数据

试图向只读chan变量写入数据或者试图从只写chan变量读取数据都会导致编译错误。

如果是默认的定义方式

  1. c chan string //那么你既可以向channel写入数据也可以从channnel读取数据

多通道(Select)

如果上面的投篮训练现在有两个教练了，各自负责一个训练项目。而且还在不同的篮球场，这个时候很显然，我们一个channel就不够用了。修改一下：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func fixed_shooting(msg_chan chan string) {
  9.     for {
  10.         msg_chan <- "fixed shooting"
  11.         time.Sleep(time.Second * 1)
  12.     }
  13. }
  15. func three_point_shooting(msg_chan chan string) {
  16.     for {
  17.         msg_chan <- "three point shooting"
  18.         time.Sleep(time.Second * 1)
  19.     }
  20. }
  22. func main() {
  23.     c_fixed := make(chan string)
  24.     c_3_point := make(chan string)
  26.     go fixed_shooting(c_fixed)
  27.     go three_point_shooting(c_3_point)
  29.     go func() {
  30.         for {
  31.             select {
  32.             case msg1 := <-c_fixed:
  33.                 fmt.Println(msg1)
  34.             case msg2 := <-c_3_point:
  35.                 fmt.Println(msg2)
  36.             }
  37.         }
  39.     }()
  41.     var input string
  42.     fmt.Scanln(&input)
  43. }

其他的和上面的一样，唯一不同的是我们将定点投篮和三分投篮的消息写入了不同的channel，那么main函数如何知道从哪个channel读取消息呢？使用select方法，select方法依次检查每个channel是否有消息传递过来，如果有就取出来输出。如果同时有多个消息到达，那么select闭上眼睛随机选一个channel来从中读取消息，如果没有一个channel有消息到达，那么select语句就阻塞在这里一直等待。

在某些情况下，比如学生投篮中受伤了，那么就轮到医护人员上场了，教练在一般看看，如果是重伤，教练就不等了，就回去了休息了，待会儿再过来看看情况。我们可以给select加上一个case用来判断是否等待各个消息到达超时。

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "time"
  6. )
  8. func fixed_shooting(msg_chan chan string) {
  9.     var times = 3
  10.     var t = 1
  11.     for {
  12.         if t <= times {
  13.             msg_chan <- "fixed shooting"
  14.         }
  15.         t++
  16.         time.Sleep(time.Second * 1)
  17.     }
  18. }
  20. func three_point_shooting(msg_chan chan string) {
  21.     var times = 5
  22.     var t = 1
  23.     for {
  24.         if t <= times {
  25.             msg_chan <- "three point shooting"
  26.         }
  27.         t++
  28.         time.Sleep(time.Second * 1)
  29.     }
  30. }
  32. func main() {
  33.     c_fixed := make(chan string)
  34.     c_3_point := make(chan string)
  36.     go fixed_shooting(c_fixed)
  37.     go three_point_shooting(c_3_point)
  39.     go func() {
  40.         for {
  41.             select {
  42.             case msg1 := <-c_fixed:
  43.                 fmt.Println(msg1)
  44.             case msg2 := <-c_3_point:
  45.                 fmt.Println(msg2)
  46.             case <-time.After(time.Second * 5):
  47.                 fmt.Println("timeout, check again...")
  48.             }
  49.         }
  51.     }()
  53.     var input string
  54.     fmt.Scanln(&input)
  55. }

在上面的例子中，我们让投篮的人在几次过后挂掉，然后教练就每次等5秒出来看看情况（累死丫的，:-P），因为我们对等待的时间不感兴趣就不用变量存储了，直接<-time.After(time.Second*5)，或许你会奇怪，为什么各个channel消息都没有到达，select为什么不阻塞？就是因为这个time.After，虽然它没有显式地告诉你这是一个channel消息，但是记得么？main函数也是一个channel啊！哈哈！至于time.After的功能实际上让main阻塞了5秒后返回给main的channel一个时间。所以我们在case里面把这个时间消息读出来，select就不阻塞了。

输出结果如下：

  1. fixed shooting
  2. three point shooting
  3. fixed shooting
  4. three point shooting
  5. fixed shooting
  6. three point shooting
  7. three point shooting
  8. three point shooting
  9. timeout, check again...
  10. timeout, check again...
  11. timeout, check again...
  12. timeout, check again...

这里select还有一个default的选项，如果你指定了default选项，那么当select发现没有消息到达的时候也不会阻塞，直接开始转回去再次判断。

Channel Buffer通道缓冲区

我们定义chan变量的时候，还可以指定它的缓冲区大小。一般我们定义的channel都是同步的，也就是说接受端和发送端彼此等待对方ok才开始。但是如果你给一个channel指定了一个缓冲区，那么消息的发送和接受式异步的，除非channel缓冲区已经满了。

  1. c:=make(chan int, 1)

我们看个例子：

  1. package main
  3. import (
  4.     "fmt"
  5.     "strconv"
  6.     "time"
  7. )
  9. func shooting(msg_chan chan string) {
  10.     var group = 1
  11.     for {
  12.         for i := 1; i <= 10; i++ {
  13.             msg_chan <- strconv.Itoa(group) + ":" + strconv.Itoa(i)
  14.         }
  15.         group++
  16.         time.Sleep(time.Second * 10)
  17.     }
  18. }
  20. func count(msg_chan chan string) {
  21.     for {
  22.         fmt.Println(<-msg_chan)
  23.     }
  24. }
  26. func main() {
  27.     var c = make(chan string, 20)
  28.     go shooting(c)
  29.     go count(c)
  31.     var input string
  32.     fmt.Scanln(&input)
  33. }

输出结果为：

  1. 1:1
  2. 1:2
  3. 1:3
  4. 1:4
  5. 1:5
  6. 1:6
  7. 1:7
  8. 1:8
  9. 1:9
  10. 1:10
  11. 2:1
  12. 2:2
  13. 2:3
  14. 2:4
  15. 2:5
  16. 2:6
  17. 2:7
  18. 2:8
  19. 2:9
  20. 2:10
  21. 3:1
  22. 3:2
  23. 3:3
  24. 3:4
  25. 3:5
  26. 3:6
  27. 3:7
  28. 3:8
  29. 3:9
  30. 3:10
  31. 4:1
  32. 4:2
  33. 4:3
  34. 4:4
  35. 4:5
  36. 4:6
  37. 4:7
  38. 4:8
  39. 4:9
  40. 4:10

你可以尝试运行一下，每次都是一下子输出10个数据。然后等待10秒再输出一批。

小结

并行计算这种特点最适合用来开发网站服务器，因为一般网站服务都是高并发的，逻辑十分复杂。而使用Go的这种特性恰是提供了一种极好的方法。

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