可視化學(xué)習(xí)Go并發(fā)編程

Go 天生是為并發(fā)而生的東西。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得并發(fā)可以看作一種程序的構(gòu)造方式，如下圖所示。

并行&并發(fā)

想了解并行和并發(fā)的區(qū)別，推薦看一下Rob Pike的分享（點(diǎn)擊閱讀原文即可跳轉(zhuǎn)）。在這個(gè)視頻里，他用形象的Gopher動(dòng)圖，講解了Go并發(fā)的過(guò)程。
總結(jié)他的觀點(diǎn)如下：

因?yàn)榻裉斓闹攸c(diǎn)不是講理論，而是站在可視化的角度來(lái)展示并發(fā)的過(guò)程。所以，結(jié)合這兩個(gè)可視化圖形可以直觀的了解并發(fā)和并行的區(qū)別，畢竟一圖勝千言。（請(qǐng)復(fù)制鏈接在瀏覽器中打開(kāi)）

總的來(lái)說(shuō)，并行就是同時(shí)執(zhí)行(通常是相關(guān)的)計(jì)算任務(wù)的編程技術(shù)，兩個(gè)或者多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)是將相互獨(dú)立的執(zhí)行過(guò)程綜合到一起的編程技術(shù)，兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

為什么要關(guān)注并發(fā)？

當(dāng)今是多核的時(shí)代，并發(fā)的世界。摩爾定律逐漸失效，需要更多關(guān)注并發(fā)的編程思想。

但并發(fā)編程并不容易，而?Go 對(duì)并發(fā)有很好的支持。

Go 語(yǔ)言中的并發(fā)

Goroutine?– 并發(fā)執(zhí)行

通過(guò)關(guān)鍵字 go 來(lái)創(chuàng)建 goroutine，如下說(shuō)是

Channel

如下有一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這是常見(jiàn)的計(jì)時(shí)器，后續(xù)還可以做成可視化的圖形。

Select

Go讓并發(fā)編程變得簡(jiǎn)單起來(lái)

但問(wèn)題來(lái)了：

這里祭出一個(gè)法寶——GoTrace，它是一個(gè)能將 Go 并發(fā)過(guò)程可視化的開(kāi)源工具，出自?divan?大神。主要包含兩個(gè)程序：

感謝 divan 大神 提供了這款工具和不少 Go 并發(fā)模式的素材。

耳聽(tīng)為虛，眼見(jiàn)為實(shí)

1.Hello,World!

無(wú)論寫什么語(yǔ)言，都會(huì)從 hello world開(kāi)始，代碼非常簡(jiǎn)單 – 單 channel，單 goroutine，一次寫，一次讀。

效果如下圖（復(fù)制鏈接?http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/helloworld.html?在瀏覽器中打開(kāi)也可直接訪問(wèn)）：

這里藍(lán)色的線表示 goroutine 隨著時(shí)間運(yùn)行。細(xì)的藍(lán)線連接了 ‘main’ 和 ‘#20’，標(biāo)志著 goroutine 的啟動(dòng)和停止，揭示了它們的父子關(guān)系。最后，紅色箭頭給我們展示了‘發(fā)送/接受’的動(dòng)作。實(shí)際上它是兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，我試著用動(dòng)畫展示成一個(gè)單獨(dú)的事務(wù)：從 A 發(fā)送到 B。 Goroutine 名稱中的的 “#20”，是實(shí)際的 goroutine 內(nèi)部 ID，通過(guò)某種手段從運(yùn)行時(shí)獲取。

2.計(jì)時(shí)器

記得在前面講Channel舉的一個(gè)計(jì)時(shí)器的例子，也非常典型 – 創(chuàng)建一個(gè) channel，啟動(dòng)一個(gè) goroutine，在給定的時(shí)間間隔之后向這個(gè) channle 寫入數(shù)據(jù)，之后將這個(gè) channel 返回給函數(shù)的調(diào)用著。這個(gè)調(diào)用者會(huì)阻塞固定的時(shí)間后去讀取該 channel。讓我們來(lái)運(yùn)行 24 個(gè)這樣的計(jì)時(shí)器并試著做可視化。

看一下效果（復(fù)制鏈接http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/timer.html）：

非常的形象，是不是？

3.兵乓球

兩個(gè)玩家

看一下效果（復(fù)制鏈接?http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/pingpong2.html?到瀏覽器中打開(kāi)）

建議在PC端瀏覽器上打開(kāi)上面的鏈接，可以和 WebGL 動(dòng)畫交互，玩玩看。你可以放慢、加快，從不同的角度觀察它。

三個(gè)玩家

上面是常見(jiàn)的2個(gè)乒乓球運(yùn)動(dòng)員對(duì)打的過(guò)程，如果是三個(gè)運(yùn)動(dòng)員會(huì)是什么樣呢？現(xiàn)在，讓我們來(lái)運(yùn)行 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)員的試試看。代碼中只要做少量的修改，添加一個(gè) player 即可：

效果如下：（復(fù)制鏈接?http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/pingpong3.html?到瀏覽器中打開(kāi)）

36個(gè)玩家

讓我們看一個(gè)更復(fù)雜的例子，跑36個(gè)運(yùn)動(dòng)員看看。

效果（復(fù)制鏈接http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/pingpong36.html?在瀏覽器中打開(kāi)）

在這里我們看到每個(gè)運(yùn)動(dòng)員都是輪流依次進(jìn)行，你可能會(huì)想為什么是這樣？為什么接球的 goroutine 會(huì)依照這么嚴(yán)格的順序？

答案是因?yàn)?Go 運(yùn)行時(shí)給接受者（準(zhǔn)備從特定的 channel 接收消息的 goroutines）保持一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的隊(duì)列，同時(shí)在我們的例子中，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)員正好在他將球打到桌子上的時(shí)候就做好準(zhǔn)備。

4.素?cái)?shù)篩

上面幾個(gè)例子比較簡(jiǎn)單，讓我們來(lái)看一個(gè)更復(fù)雜的并發(fā)算法：素?cái)?shù)篩算法，又叫埃拉托斯特尼算法，是一種古老的算法，用于找到小于或等于給定整數(shù)n的素?cái)?shù)。算法核心思想：先用最小的素?cái)?shù)2去篩，把2的倍數(shù)剔除掉；下一個(gè)未篩除的數(shù)就是素?cái)?shù)(這里是3)。再用這個(gè)素?cái)?shù)3去篩，篩除掉3的倍數(shù)… 這樣不斷重復(fù)下去，直到篩完為止。

這個(gè)算法的并發(fā)變化是用 goroutines 來(lái)過(guò)濾數(shù)字 —— 一個(gè) goroutine 發(fā)現(xiàn)一個(gè)素?cái)?shù)，而 channels 用來(lái)把數(shù)字從 generator 傳遞到 filter。當(dāng)一個(gè)素?cái)?shù)被找到了，就會(huì)通過(guò) channel 傳遞給 main，再輸出。

當(dāng)然，這個(gè)算法并不會(huì)非常高效，特別是在你想找大量的素?cái)?shù)，并且尋找最低的大 O 復(fù)雜度時(shí)，但這個(gè)算法確非常的優(yōu)雅。

大家可以看一下可視化的樣子（http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/primesieve.html）

可以在交互模式中體驗(yàn)一下該動(dòng)畫。它的圖形化方式確實(shí)能更好的幫助我們理解算法。該 generate 函數(shù) goroutine 從 2 開(kāi)始發(fā)出每一個(gè)整數(shù)。而每一個(gè)新的 filter 函數(shù) goroutine 會(huì)過(guò)濾特定素?cái)?shù)的倍數(shù) – 2，3，5，7……每一個(gè) filter 的第一個(gè)數(shù)就是素?cái)?shù)，將它發(fā)送給 main 函數(shù)，并輸出。如果你旋轉(zhuǎn)圖像自頂向下看的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有從 goroutine 發(fā)送給 main 的數(shù)字就是素?cái)?shù)。
非常漂亮的算法，特別是在 3D 圖像下。

5.其他－Goroutines? 泄漏??????????

雖然說(shuō)Goroutine是一個(gè)很輕量線程，不應(yīng)該浪費(fèi)它的。假設(shè)有N多個(gè)Goroutine泄漏了會(huì)怎么樣？

效果見(jiàn)http://talks.bingohuang.com/2017/go-concurrency-visualize/leak.html

看起來(lái)很漂亮，但它是一個(gè)定時(shí)炸彈，所以平時(shí)編碼的時(shí)候一定要注意Goroutine泄漏的問(wèn)題。

Gotrace的用法簡(jiǎn)介

最后說(shuō)一下GoTrace的用法，它本身也是開(kāi)源的。

下載方式：go get?-v -u github.com/divan/gotrace

默認(rèn)分支（master）是基于?Go?1.6?開(kāi)發(fā)，我建議切換到到 Go18 分支，支持 Go?1.8。

具體用法如下：

直接運(yùn)行?go 代碼的效果并不好，推薦生成 trace，需在執(zhí)行的代碼上前后加上：

結(jié)合?docker ，可以用以下腳本：

它會(huì)自動(dòng)打開(kāi)這個(gè)瀏覽器，可以調(diào)整視角，可以縮放、旋轉(zhuǎn)、加粗，改變圖像。
使用場(chǎng)景

最后我想說(shuō)一下使用場(chǎng)景。首先，我看到的時(shí)候覺(jué)得非?？幔@會(huì)引發(fā)大家對(duì)學(xué)習(xí)Go的興趣，同時(shí)還可以通過(guò)它來(lái)學(xué)習(xí) Go 的并發(fā)模式，探索 Go 的并發(fā)過(guò)程，希望對(duì)大家進(jìn)一步學(xué)習(xí) Go 語(yǔ)言有所幫助。

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