Goroutine + Channel 实践
在最近开发的项目中,后端需要编写许多提供HTTP接口的API,另外技术选型相对宽松,因此选择Golang + Beego框架进行开发。之所以选择Golang,主要是考虑到开发的模块,都需要接受瞬时大并发、请求需要经历多个步骤、处理时间较长、无法同步立即返回结果的场景,Golang的goroutine以及channel所提供的语言层级的特性,正好可以满足这方面的需要。
goroutine不同于thread,threads是操作系统中的对于一个独立运行实例的描述,不同操作系统,对于thread的实现也不尽相同;但是,操作系统并不知道goroutine的存在,goroutine的调度是有Golang运行时进行管理的。启动thread虽然比process所需的资源要少,但是多个thread之间的上下文切换仍然是需要大量的工作的(寄存器/Program Count/Stack Pointer/...),Golang有自己的调度器,许多goroutine的数据都是共享的,因此goroutine之间的切换会快很多,启动goroutine所耗费的资源也很少,一个Golang程序同时存在几百个goroutine是很正常的。
channel,即“管道”,是用来传递数据(叫消息更为合适)的一个数据结构,即可以从channel里面塞数据,也可以从中获取数据。channel本身并没有什么神奇的地方,但是channel加上了goroutine,就形成了一种既简单又强大的请求处理模型,即N个工作goroutine将处理的中间结果或者最终结果放入一个channel,另外有M个工作goroutine从这个channel拿数据,再进行进一步加工,通过组合这种过程,从而胜任各种复杂的业务模型。
模型
自己在实践的过程中,产生了几种通过goroutine + channel实现的工作模型,本文分别对这些模型进行介绍。
V0.1: go关键字
直接加上go关键字,就可以让一个函数脱离原先的主函数独立运行,即主函数直接继续进行剩下的操作,而不需要等待某个十分耗时的操作完成。比如我们在写一个服务模块,接收到前端请求之后,然后去做一个比较耗时的任务。比如下面这个:
func (m *SomeController) PorcessSomeTask() {
var task models.Task
if err := task.Parse(m.Ctx.Request); err != nil {
m.Data["json"] = err
m.ServeJson()
return
}
task.Process()
m.ServeJson()
如果Process函数需要耗费大量时间的话,这个请求就会被block住。有时候,前端只需要发出一个请求给后端,并且不需要后端立即所处响应。遇到这样的需求,直接在耗时的函数前面加上go关键字就可以将请求之间返回给前端了,保证了体验。
func (m *SomeController) PorcessSomeTask() {
var task models.Task
if err := task.Parse(m.Ctx.Request); err != nil {
m.Data["json"] = err
m.ServeJson()
return
}
go task.Process()
m.ServeJson()
不过,这种做法也是有许多限制的。比如:
- 只能在前端不需要立即得到后端处理的结果的情况下
- 这种请求的频率不应该很大,因为目前的做法没有控制并发
V0.2: 并发控制
上一个方案有一个缺点就是无法控制并发,如果这一类请求同一个时间段有很多的话,每一个请求都启动一个goroutine,如果每个goroutine中还需要使用其他系统资源,消耗将是不可控的。
遇到这种情况,一个解决方案是:将请求都转发给一个channel,然后初始化多个goroutine读取这个channel中的内容,并进行处理。假设我们可以新建一个全局的channel
- var TASK_CHANNEL = make(chan models.Task)
然后,启动多个goroutine:
for i := 0; i < WORKER_NUM; i ++ {
go func() {
for {
select {
case task := <- TASK_CHANNEL:
task.Process()
}
}
} ()
}
服务端接收到请求之后,将任务传入channel中即可:
func (m *SomeController) PorcessSomeTask() {
var task models.Task
if err := task.Parse(m.Ctx.Request); err != nil {
m.Data["json"] = err
m.ServeJson()
return
}
//go task.Process()
TASK_CHANNEL <- task
m.ServeJson()
}
这样一来,这个操作的并发度就可以通过WORKER_NUM来控制了。
V0.3: 处理channel满的情况
不过,上面方案有一个bug:那就是channel初始化时是没有设置长度的,因此当所有WORKER_NUM个goroutine都正在处理请求时,再有请求过来的话,仍然会出现被block的情况,而且会比没有经过优化的方案还要慢(因为需要等某一个goroutine结束时才能处理它)。因此,需要在channel初始化时增加一个长度:
- var TASK_CHANNEL = make(chan models.Task, TASK_CHANNEL_LEN)
这样一来,我们将TASK_CHANNEL_LEN设置得足够大,请求就可以同时接收TASK_CHANNEL_LEN个请求而不用担心被block。不过,这其实还是有问题的:那如果真的同时有大于TASK_CHANNEL_LEN个请求过来呢?一方面,这就应该算是架构方面的问题了,可以通过对模块进行扩容等操作进行解决。另一方面,模块本身也要考虑如何进行“优雅降级了”。遇到这种情况,我们应该希望模块能够及时告知调用方,“我已经达到处理极限了,无法给你处理请求了”。其实,这种需求,可以很简单的在Golang中实现:如果channel发送以及接收操作在select语句中执行并且发生阻塞,default语句就会立即执行。
select {
case TASK_CHANNEL <- task:
//do nothing
default:
//warnning!
return fmt.Errorf("TASK_CHANNEL is full!")
}
//...
V0.4: 接收发送给channel之后返回的结果
如果处理程序比较复杂的时候,通常都会出现在一个goroutine中,还会发送一些中间处理的结果发送给其他goroutine去做,经过多道“工序”才能最终将结果产出。
那么,我们既需要把某一个中间结果发送给某个channel,也要能获取到处理这次请求的结果。解决的方法是:将一个channel实例包含在请求中,goroutine处理完成后将结果写回这个channel。
type TaskResponse struct {
//...
}
type Task struct {
TaskParameter SomeStruct
ResChan *chan TaskResponse
}
//...
task := Task {
TaskParameter : xxx,
ResChan : make(chan TaskResponse),
}
TASK_CHANNEL <- task
res := <- task.ResChan
//...
(这边可能会有疑问:为什么不把一个复杂的任务都放在一个goroutine中依次的执行呢?是因为这里需要考虑到不同子任务,所消耗的系统资源不尽相同,有些是CPU集中的,有些是IO集中的,所以需要对这些子任务设置不同的并发数,因此需要经由不同的channel + goroutine去完成。)
V0.5: 等待一组goroutine的返回
将任务经过分组,交由不同的goroutine进行处理,最终再将每个goroutine处理的结果进行合并,这个是比较常见的处理流程。这里需要用到WaitGroup来对一组goroutine进行同步。一般的处理流程如下:
var wg sync.WaitGroup
for i := 0; i < someLen; i ++ {
wg.Add(1)
go func(t Task) {
defer wg.Done()
//对某一段子任务进行处理
} (tasks[i])
}
wg.Wait()
//处理剩下的工作
复制代码
V0.6: 超时机制
即使是复杂、耗时的任务,也必须设置超时时间。一方面可能是业务对此有时限要求(用户必须在XX分钟内看到结果),另一方面模块本身也不能都消耗在一直无法结束的任务上,使得其他请求无法得到正常处理。因此,也需要对处理流程增加超时机制。
我一般设置超时的方案是:和之前提到的“接收发送给channel之后返回的结果”结合起来,在等待返回channel的外层添加select,并在其中通过time.After()来判断超时。
task := Task {
TaskParameter : xxx,
ResChan : make(chan TaskResponse),
}
select {
case res := <- task.ResChan:
//...
case <- time.After(PROCESS_MAX_TIME):
//处理超时
}
V0.7: 广播机制
既然有了超时机制,那也需要一种机制来告知其他goroutine结束手上正在做的事情并退出。很明显,还是需要利用channel来进行交流,第一个想到的肯定就是向某一个chan发送一个struct即可。比如执行任务的goroutine在参数中,增加一个chan struct{}类型的参数,当接收到该channel的消息时,就退出任务。但是,还需要解决两个问题:
- 怎样能在执行任务的同时去接收这个消息呢?
- 如何通知所有的goroutine?
对于第一个问题,比较优雅的作法是:使用另外一个channel作为函数d输出,再加上select,就可以一边输出结果,一边接收退出信号了。
另一方面,对于同时有未知数目个执行goroutine的情况,一次次调用done <-struct{}{},显然无法实现。这时候,就会用到golang对于channel的tricky用法:当关闭一个channel时,所有因为接收该channel而阻塞的语句会立即返回。示例代码如下:
// 执行方
func doTask(done <-chan struct{}, tasks <-chan Task) (chan Result) {
out := make(chan Result)
go func() {
// close 是为了让调用方的range能够正常退出
defer close(out)
for t := range tasks {
select {
case result <-f(task):
case <-done:
return
}
}
}()
return out
}
// 调用方
func Process(tasks <-chan Task, num int) {
done := make(chan struct{})
out := doTask(done, tasks)
go func() {
<- time.After(MAX_TIME)
//done <-struct{}{}
//通知所有的执行goroutine退出
close(done)
}()
// 因为goroutine执行完毕,或者超时,导致out被close,range退出
for res := range out {
fmt.Println(res)
//...
}
参考
- http://blog.golang.org/pipelines
- https://gobyexample.com/non-blocking-channel-operations
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