1.9 并行计算

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:

package mainimport (    "fmt"    "time")func get_sum_of_divisible(num int, divider int, resultChan chan int) {    sum := 0    for value := 0; value < num; value++ {        if value%divider == 0 {            sum += value        }    }    resultChan <- sum}func main() {    LIMIT := 10    resultChan := make(chan int, 3)    t_start := time.Now()    go get_sum_of_divisible(LIMIT, 3, resultChan)    go get_sum_of_divisible(LIMIT, 5, resultChan)    //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    sum3, sum5 := <-resultChan, <-resultChan    //单独算被15整除的    go get_sum_of_divisible(LIMIT, 15, resultChan)    sum15 := <-resultChan    sum := sum3 + sum5 - sum15    t_end := time.Now()    fmt.Println(sum)    fmt.Println(t_end.Sub(t_start))}

(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:

package mainimport (    "fmt")func list_elem(n int) {    for i := 0; i < n; i++ {        fmt.Println(i)    }}func main() {    go list_elem(10)}

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函数创建完协程后立刻退出了,所以协程没有来得及运行呢!修改一下:

package mainimport (    "fmt")func list_elem(n int) {    for i := 0; i < n; i++ {        fmt.Println(i)    }}func main() {    go list_elem(10)    var input string    fmt.Scanln(&input)}

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:

0123456789

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。

package mainimport (    "fmt"    "math/rand"    "time")func list_elem(n int, tag string) {    for i := 0; i < n; i++ {        fmt.Println(tag, i)        tick := time.Duration(rand.Intn(100))        time.Sleep(time.Millisecond * tick)    }}func main() {    go list_elem(10, "go_a")    go list_elem(20, "go_b")    var input string    fmt.Scanln(&input)}

输出结果

go_a 0go_b 0go_a 1go_b 1go_a 2go_b 2go_b 3go_b 4go_a 3go_b 5go_b 6go_a 4go_a 5go_b 7go_a 6go_a 7go_b 8go_b 9go_a 8go_b 10go_b 11go_a 9go_b 12go_b 13go_b 14go_b 15go_b 16go_b 17go_b 18go_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。

package mainimport (    "fmt"    "time")func fixed_shooting(msg_chan chan string) {    for {        msg_chan <- "fixed shooting"        fmt.Println("continue fixed shooting...")    }}func count(msg_chan chan string) {    for {        msg := <-msg_chan        fmt.Println(msg)        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func main() {    var c chan string    c = make(chan string)    go fixed_shooting(c)    go count(c)    var input string    fmt.Scanln(&input)}

输出结果为:

fixed shootingcontinue fixed shooting...fixed shootingcontinue fixed shooting...fixed shootingcontinue 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。

package mainimport (    "fmt"    "time")func fixed_shooting(msg_chan chan string) {    for {        msg_chan <- "fixed shooting"    }}func three_point_shooting(msg_chan chan string) {    for {        msg_chan <- "three point shooting"    }}func count(msg_chan chan string) {    for {        msg := <-msg_chan        fmt.Println(msg)        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func main() {    var c chan string    c = make(chan string)    go fixed_shooting(c)    go three_point_shooting(c)    go count(c)    var input string    fmt.Scanln(&input)}

输出结果为:

fixed shootingthree point shootingfixed shootingthree point shootingfixed shootingthree 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。如果我们如下定义

c chan<- string //那么你只能向channel写入数据

而这种定义

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

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:

package mainimport (    "fmt"    "time")func fixed_shooting(msg_chan chan string) {    for {        msg_chan <- "fixed shooting"        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func three_point_shooting(msg_chan chan string) {    for {        msg_chan <- "three point shooting"        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func main() {    c_fixed := make(chan string)    c_3_point := make(chan string)    go fixed_shooting(c_fixed)    go three_point_shooting(c_3_point)    go func() {        for {            select {            case msg1 := <-c_fixed:                fmt.Println(msg1)            case msg2 := <-c_3_point:                fmt.Println(msg2)            }        }    }()    var input string    fmt.Scanln(&input)}

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。

package mainimport (    "fmt"    "time")func fixed_shooting(msg_chan chan string) {    var times = 3    var t = 1    for {        if t <= times {            msg_chan <- "fixed shooting"        }        t++        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func three_point_shooting(msg_chan chan string) {    var times = 5    var t = 1    for {        if t <= times {            msg_chan <- "three point shooting"        }        t++        time.Sleep(time.Second * 1)    }}func main() {    c_fixed := make(chan string)    c_3_point := make(chan string)    go fixed_shooting(c_fixed)    go three_point_shooting(c_3_point)    go func() {        for {            select {            case msg1 := <-c_fixed:                fmt.Println(msg1)            case msg2 := <-c_3_point:                fmt.Println(msg2)            case <-time.After(time.Second * 5):                fmt.Println("timeout, check again...")            }        }    }()    var input string    fmt.Scanln(&input)}

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:

fixed shootingthree point shootingfixed shootingthree point shootingfixed shootingthree point shootingthree point shootingthree point shootingtimeout, check again...timeout, check again...timeout, check again...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

c:=make(chan int, 1)

我们看个例子:

package mainimport (    "fmt"    "strconv"    "time")func shooting(msg_chan chan string) {    var group = 1    for {        for i := 1; i <= 10; i++ {            msg_chan <- strconv.Itoa(group) + ":" + strconv.Itoa(i)        }        group++        time.Sleep(time.Second * 10)    }}func count(msg_chan chan string) {    for {        fmt.Println(<-msg_chan)    }}func main() {    var c = make(chan string, 20)    go shooting(c)    go count(c)    var input string    fmt.Scanln(&input)}

输出结果为:

1:11:21:31:41:51:61:71:81:91:102:12:22:32:42:52:62:72:82:92:103:13:23:33:43:53:63:73:83:93:104:14:24:34:44:54:64:74:84:94:10

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。

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *