1. 簡(jiǎn)介

本文介紹了在并發(fā)編程中數(shù)據(jù)匯總的問題，并探討了在并發(fā)環(huán)境下使用互斥鎖和通道兩種方式來保證數(shù)據(jù)安全性的方法。

首先，通過一個(gè)實(shí)例，描述了一個(gè)并發(fā)拉取數(shù)據(jù)并匯總的案例，并使用互斥鎖來確保線程安全。然后，討論了互斥鎖的一些缺點(diǎn)，引出了通道作為一種替代方案，并介紹了通道的基本使用和特性。接下來，通過實(shí)例演示了如何使用通道來實(shí)現(xiàn)并發(fā)下的數(shù)據(jù)匯總。

最后，引用了etcd中使用通道實(shí)現(xiàn)協(xié)程并發(fā)下數(shù)據(jù)匯總的例子，展示了通道在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用。

2. 問題引入

在請(qǐng)求處理過程中，經(jīng)常需要通過RPC接口拉取數(shù)據(jù)。有時(shí)候，由于數(shù)據(jù)量較大，單個(gè)數(shù)據(jù)拉取操作可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)請(qǐng)求的處理時(shí)間較長(zhǎng)。為了加快處理速度，我們通常考慮同時(shí)開啟多個(gè)協(xié)程并發(fā)地拉取數(shù)據(jù)。一旦多個(gè)協(xié)程并發(fā)拉取數(shù)據(jù)后，主協(xié)程需要匯總這些協(xié)程拉取到的數(shù)據(jù)，然后再返回結(jié)果。在這個(gè)過程中，往往涉及對(duì)共享資源的并發(fā)訪問，為了保證線程安全性，通常會(huì)使用互斥鎖。下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼來展示該過程:

package mainimport ("fmt""sync""time"
)type Data struct {ID   intName string
}var (// 匯總結(jié)果dataList []Data// 互斥鎖mutex    sync.Mutex
)func fetchData(page int, wg *sync.WaitGroup) {// 模擬RPC接口拉取數(shù)據(jù)的耗時(shí)操作time.Sleep(time.Second)// 假設(shè)從RPC接口獲取到了一批數(shù)據(jù)data := Data{ID:   page,Name: fmt.Sprintf("Data %d", page),}// 使用互斥鎖保護(hù)共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問mutex.Lock()defer mutext.Unlock()dataList = append(dataList, data)wg.Done()
}func main() {var wg sync.WaitGroup// 定義需要拉取的數(shù)據(jù)頁數(shù)numPages := 10// 啟動(dòng)多個(gè)協(xié)程并發(fā)地拉取數(shù)據(jù)for i := 1; i <= numPages; i++ {wg.Add(1)go fetchData(i, &wg)}// 等待所有協(xié)程完成wg.Wait()// 打印拉取到的數(shù)據(jù)fmt.Println("Fetched data:")for _, data := range dataList {fmt.Printf("ID: %d, Name: %s\n", data.ID, data.Name)}
}

在上述示例中，我們定義了一個(gè)共享的dataList切片用于保存拉取到的數(shù)據(jù)。每個(gè)goroutine通過調(diào)用fetchData函數(shù)來模擬拉取數(shù)據(jù)的過程，并使用互斥鎖mutex保護(hù)dataList的并發(fā)訪問。主協(xié)程使用sync.WaitGroup等待所有協(xié)程完成數(shù)據(jù)拉取任務(wù)，然后打印出拉取到的數(shù)據(jù)。通過并發(fā)地拉取數(shù)據(jù)，并使用互斥鎖保證線程安全，我們可以顯著提高數(shù)據(jù)拉取的速度，并且確保數(shù)據(jù)的正確性和一致性。

回看上述實(shí)現(xiàn)，其實(shí)是涉及到了多個(gè)協(xié)程操作同一份數(shù)據(jù)，有可能導(dǎo)致線程安全的問題，然后這里是通過互斥鎖來保證線程安全的。確實(shí)，使用互斥鎖是可以保證線程安全的，但是也是存在一些缺點(diǎn)的，比如競(jìng)爭(zhēng)和阻塞，兩個(gè)協(xié)程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)互斥鎖時(shí)，只有一個(gè)協(xié)程能夠獲得鎖，而其他協(xié)程則會(huì)被阻塞，這個(gè)就可能導(dǎo)致性能瓶頸，當(dāng)然在這個(gè)場(chǎng)景下問題不大。其次就是代碼的復(fù)雜性提高了，使用互斥鎖需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和管理，確保鎖的正確獲取和釋放。這增加了代碼的復(fù)雜性和維護(hù)成本，如果在代碼中處理鎖的方式不正確，可能會(huì)死鎖，導(dǎo)致程序無法繼續(xù)執(zhí)行。

那我們其實(shí)就有疑問，在協(xié)程并發(fā)下數(shù)據(jù)匯總的場(chǎng)景，是否存在其他方式，不需要通過使用互斥鎖，也能夠保證線程安全呢? 其實(shí)還真有，Go語言中的channel非常適用于這種情況。通過使用通道，我們可以實(shí)現(xiàn)線程安全的數(shù)據(jù)共享和同步，而無需顯式地使用互斥鎖。下面我們來了解一下channel。

3. channel的使用

3.1 channel的基本介紹

3.1.1 基本說明

channel在Go語言中是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于協(xié)程之間的通信和同步。它類似于一個(gè)先進(jìn)先出(FIFO)的隊(duì)列，用于數(shù)據(jù)的傳輸和共享。在并發(fā)環(huán)境中，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到通道，也可以從通道中接收數(shù)據(jù)，而這兩個(gè)操作都是線程安全的。

使用channel的優(yōu)勢(shì)在于它提供了內(nèi)置的同步機(jī)制，無需顯式地使用互斥鎖來處理并發(fā)訪問。

當(dāng)一個(gè)協(xié)程向通道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果通道已滿，發(fā)送操作會(huì)被阻塞，直到有其他協(xié)程從通道中接收數(shù)據(jù)釋放空間。同樣地，當(dāng)一個(gè)協(xié)程從通道接收數(shù)據(jù)時(shí)，如果通道為空，接收操作也會(huì)被阻塞，直到有其他協(xié)程向通道發(fā)送數(shù)據(jù)。

同時(shí)，當(dāng)多個(gè)協(xié)程同時(shí)訪問通道時(shí)，Go運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處理協(xié)程之間的同步和并發(fā)訪問的細(xì)節(jié)，保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。從而可以放心地在多個(gè)協(xié)程中使用通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收操作，而不需要額外的鎖或同步機(jī)制來保證線程安全。

因此，使用channel其實(shí)是可以避免常見的并發(fā)問題，如競(jìng)態(tài)條件和死鎖，簡(jiǎn)化了并發(fā)編程的復(fù)雜性。

3.1.2 基本使用

通過上面對(duì)channel的基本介紹，我們已經(jīng)對(duì)channel有了基本的了解，其實(shí)可以粗略理解其為一個(gè)并發(fā)安全的隊(duì)列。下面來了解下channel的基本語法，從而能夠開始使用channel。

channel基本操作分為創(chuàng)建channel,發(fā)送數(shù)據(jù)到channel,接收channel中的數(shù)據(jù)，以及關(guān)閉channel。下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單展示:

創(chuàng)建channel，使用make函數(shù)創(chuàng)建通道，通道的類型可以根據(jù)需要選擇，例如int、string等:

ch := make(chan int)

發(fā)送數(shù)據(jù)到channel：使用<-操作符將數(shù)據(jù)發(fā)送到通道中

ch <- data

接收channel中的數(shù)據(jù): 使用<-操作符從通道中接收數(shù)據(jù)

result := <-ch

關(guān)閉channel， 使用close函數(shù)關(guān)閉通道。關(guān)閉通道后，仍然可以從通道接收數(shù)據(jù)，但無法再向通道發(fā)送數(shù)據(jù)

close(ch)

通過上面channel的四個(gè)基本操作，便能夠?qū)崿F(xiàn)在不同協(xié)程間線程安全得傳遞數(shù)據(jù)。最后通過一個(gè)例子，完整得展示channel的基本使用。

package mainimport "fmt"func main() {ch := make(chan string) // 創(chuàng)建字符串通道defer close(ch)go func() {ch <- "hello, channel!" // 發(fā)送數(shù)據(jù)到通道}()result := <-ch // 從通道接收數(shù)據(jù)fmt.Println(result)
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)字符串通道ch。然后，在一個(gè)單獨(dú)的協(xié)程中，我們向通道發(fā)送了字符串"hello, channel!"。最后，主協(xié)程從通道中接收數(shù)據(jù)，并將其打印出來。

通過使用通道，我們可以實(shí)現(xiàn)協(xié)程之間的數(shù)據(jù)傳輸和同步，確保數(shù)據(jù)的安全共享和線程安全性。通道的使用能夠簡(jiǎn)化并發(fā)編程的復(fù)雜性，提供一種高效、可靠的方式來處理并發(fā)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳遞。

3.2 使用channel實(shí)現(xiàn)匯總數(shù)據(jù)

下面，我們使用channel來實(shí)現(xiàn)并發(fā)數(shù)據(jù)匯總，替換掉之前使用互斥鎖來保證線程安全的實(shí)現(xiàn)：

package mainimport ("fmt""sync""time"
)type Data struct {ID   intName string
}func fetchData(page int, ch chan Data, wg *sync.WaitGroup) {// 模擬 RPC 接口拉取數(shù)據(jù)的耗時(shí)操作time.Sleep(time.Second)// 假設(shè)從 RPC 接口獲取到了一批數(shù)據(jù)data := Data{ID:   page,Name: fmt.Sprintf("Data %d", page),}ch <- data // 將數(shù)據(jù)發(fā)送到通道wg.Done()
}func main() {var wg sync.WaitGroup// 定義需要拉取的數(shù)據(jù)頁數(shù)numPages := 10dataCh := make(chan Data, 10) // 創(chuàng)建用于接收數(shù)據(jù)的通道// 啟動(dòng)多個(gè)協(xié)程并發(fā)地拉取數(shù)據(jù)for i := 1; i <= numPages; i++ {wg.Add(1)go fetchData(i, dataCh, &wg)}go func() {wg.Wait()close(dataCh) // 關(guān)閉通道，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)全部發(fā)送完成}()// 從通道接收數(shù)據(jù)并匯總var dataList []Datafor data := range dataCh {dataList = append(dataList, data)}// 打印拉取到的數(shù)據(jù)fmt.Println("Fetched data:")for _, data := range dataList {fmt.Printf("ID: %d, Name: %s\n", data.ID, data.Name)}
}

在修改后的代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)的 dataCh。每個(gè)協(xié)程通過將數(shù)據(jù)發(fā)送到該channel 來完成數(shù)據(jù)的匯總。主協(xié)程通過從channel接收數(shù)據(jù)，并將其添加到 dataList 中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總過程。這種方式不需要顯式地加鎖和解鎖，并且避免了互斥鎖帶來的復(fù)雜性和性能問題。

通過使用channel，我們能夠以一種更直觀、更安全的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)程之間的數(shù)據(jù)傳遞和同步。channel在并發(fā)編程中起到了關(guān)鍵的作用，簡(jiǎn)化了并發(fā)操作的管理和實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，它提供了內(nèi)置的同步機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)的正確性和一致性，避免了死鎖和競(jìng)態(tài)條件的問題。

3.3 總結(jié)

協(xié)程間的并發(fā)下匯總數(shù)據(jù)可以歸類為協(xié)程間的數(shù)據(jù)傳遞這個(gè)場(chǎng)景。在這個(gè)場(chǎng)景中，多個(gè)協(xié)程并發(fā)地拉取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。為了保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性，需要使用某種機(jī)制來確保多個(gè)協(xié)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問是安全的。

在原始的實(shí)現(xiàn)中，使用了互斥鎖來保護(hù)共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問?；コ怄i提供了互斥訪問的機(jī)制，確保同一時(shí)間只有一個(gè)協(xié)程可以訪問共享數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致性。這種方式在保證線程安全的同時(shí)，引入了鎖的開銷和復(fù)雜性。

而使用channel來實(shí)現(xiàn)協(xié)程間的安全數(shù)據(jù)傳遞可以更簡(jiǎn)潔和高效。每個(gè)協(xié)程可以將拉取到的數(shù)據(jù)通過channel發(fā)送到主協(xié)程，主協(xié)程通過接收channel中的數(shù)據(jù)來進(jìn)行匯總。channel提供了并發(fā)安全的數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，協(xié)程之間的數(shù)據(jù)傳輸是同步和有序的。由于channel本身就提供了同步機(jī)制，不需要額外的鎖和同步操作，能夠更簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)協(xié)程間的安全數(shù)據(jù)傳遞。

因此，如果需要在多個(gè)協(xié)程間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，而且由此可能帶來線程安全的問題，此時(shí)使用channel來實(shí)現(xiàn)是相對(duì)比較合適的。

4. 開源項(xiàng)目中的使用

假設(shè)我們需要對(duì)etcd進(jìn)行性能測(cè)試，此時(shí)需要模擬大量并發(fā)請(qǐng)求，對(duì)etcd進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，并收集每個(gè)請(qǐng)求的執(zhí)行時(shí)間、成功/失敗狀態(tài)等結(jié)果數(shù)據(jù)。然后主協(xié)程需要收集每一個(gè)請(qǐng)求的結(jié)果數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，生成相應(yīng)的性能報(bào)告?；诖?#xff0c;能夠計(jì)算出總請(qǐng)求數(shù)、請(qǐng)求成功率、平均執(zhí)行時(shí)間、最慢/最快請(qǐng)求等統(tǒng)計(jì)信息，以及錯(cuò)誤分布情況和慢速請(qǐng)求的詳細(xì)信息。

從上面的講述來看，其實(shí)我們可以大概想象出這個(gè)模型，多個(gè)協(xié)程并發(fā)執(zhí)行，然后獲取每個(gè)請(qǐng)求的結(jié)果數(shù)據(jù)。然后主協(xié)程需要收集匯總這些數(shù)據(jù)，基于此來生成性能報(bào)告。這個(gè)模型其實(shí)也就是我們上面所說的協(xié)程并發(fā)下的數(shù)據(jù)匯總，因此通過channel來實(shí)現(xiàn)協(xié)程間的數(shù)據(jù)傳輸，是非常合適的。

下面我們來看看etcd中對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。etcd中存在一個(gè)report對(duì)象的實(shí)現(xiàn)，能夠接受一系列的請(qǐng)求數(shù)據(jù)的結(jié)果，然后生成性能報(bào)告返回回去。結(jié)構(gòu)體定義如下:

type report struct {results   chan Resultstats Stats
}
func (r *report) Results() chan<- Result { return r.results }// Result describes the timings for an operation.
type Result struct {Start  time.TimeEnd    time.TimeErr    error
}func newReport(precision string) *report {r := &report{results:   make(chan Result, 16),}return r
}

Result結(jié)構(gòu)體為單個(gè)測(cè)試的結(jié)果，而 report 結(jié)構(gòu)體則用于整個(gè)測(cè)試過程的報(bào)告和統(tǒng)計(jì)信息。通過使用 results 通道，可以將每個(gè)測(cè)試的結(jié)果發(fā)送到 report 結(jié)構(gòu)體中，以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和生成報(bào)告。

當(dāng)進(jìn)行性能壓測(cè)時(shí)，首先通過newReport生成一個(gè)report對(duì)象，然后啟動(dòng)多個(gè)協(xié)程同時(shí)進(jìn)行壓測(cè)請(qǐng)求，每一個(gè)請(qǐng)求處理完成之后，便會(huì)生成一個(gè)處理結(jié)果，存儲(chǔ)到Result對(duì)象當(dāng)中。然后基于report對(duì)象的Results方法獲取到對(duì)應(yīng)的channel，將處理結(jié)果傳輸給主協(xié)程。

主協(xié)程便通過遍歷report對(duì)象中的results變量對(duì)應(yīng)的channel，匯總計(jì)算所有處理結(jié)果，基于此便能夠生成壓測(cè)結(jié)果和報(bào)告。下面來看其具體流程。

首先是創(chuàng)建一個(gè)report對(duì)象，然后啟動(dòng)多個(gè)協(xié)程來處理請(qǐng)求，將結(jié)果發(fā)送到report對(duì)象中的results對(duì)應(yīng)的channel中。

// 這里NewReportSample方法,其實(shí)是對(duì)上面newReport方法的一個(gè)封裝
r := NewReportSample("%f")
// 這里假設(shè)只有一個(gè)協(xié)程，模擬執(zhí)行一系列的測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到 Report 對(duì)象的 results 通道中。
go func() {start := time.Now()for i := 0; i < 5; i++ {// 不真實(shí)進(jìn)行請(qǐng)求,只是簡(jiǎn)單獲取執(zhí)行結(jié)果，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行傳輸end := start.Add(time.Second)r.Results() <- Result{Start: start, End: end}start = end}r.Results() <- Result{Start: start, End: start.Add(time.Second), Err: fmt.Errorf("oops")}// 假設(shè)所有壓測(cè)請(qǐng)求都執(zhí)行完成了close(r.Results())
}()
// 主協(xié)程 匯總所有的處理結(jié)果,然后生成壓測(cè)報(bào)告
stats := <-r.Stats()

以上代碼中，r 是通過 NewReportSample("%f") 創(chuàng)建的一個(gè) Report 對(duì)象。然后，在一個(gè)單獨(dú)的協(xié)程中，執(zhí)行了一系列的測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到 r.Results() 通道中。

這段代碼的作用是模擬執(zhí)行一系列的測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到 Report 對(duì)象的 results 通道中。通過使用 r.Results() 方法返回的通道，可以將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到報(bào)告對(duì)象中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理。

接下來，主協(xié)程應(yīng)該不斷從 r.Results()方法返回的通道中讀取數(shù)據(jù)，匯總所有的處理結(jié)果，從而生成壓測(cè)報(bào)告。這個(gè)方法其實(shí)是被封裝在r.Stas()方法中，具體如下：

func (r *report) Stats() <-chan Stats {// 創(chuàng)建一個(gè)channeldonec := make(chan Stats, 1)// 啟動(dòng)一個(gè)協(xié)程來執(zhí)行g(shù)o func() {defer close(donec)r.processResults()s := r.stats.copy()if r.sps != nil {s.TimeSeries = r.sps.getTimeSeries()}// 執(zhí)行完成的話,將結(jié)果返回donec <- s}()// 返回channelreturn donec
}// Stats方法啟動(dòng)的協(xié)程中，實(shí)際運(yùn)行的任務(wù)
func (r *report) processResults() {st := time.Now()// 遍歷r.results方法中channel中的數(shù)據(jù),然后執(zhí)行處理流程for res := range r.results {r.processResult(&res)}// 后續(xù)執(zhí)行一些具體的計(jì)算邏輯
}

上述代碼是 report 結(jié)構(gòu)體中的兩個(gè)方法，其中 Stats() 方法返回一個(gè)只讀的 Stats 通道。這個(gè)方法會(huì)在一個(gè)單獨(dú)的協(xié)程中執(zhí)行，并處理 results 通道中的測(cè)試結(jié)果。事實(shí)上就是匯總channel中的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行一定的處理，然后返回。

5. 總結(jié)

本文通過介紹并發(fā)編程中的數(shù)據(jù)匯總問題，提出了使用互斥鎖和通道來保證線程安全的方法。互斥鎖適用于臨界區(qū)保護(hù)和共享資源的互斥訪問，但可能存在死鎖和性能瓶頸的問題。相比之下，通道提供了更直觀和安全的協(xié)程間通信方式，避免了鎖的問題，并提供了更靈活的并發(fā)模式。

基于以上內(nèi)容的介紹，大概能夠明確下，在數(shù)據(jù)傳遞和匯總的場(chǎng)景下，使用channel來實(shí)現(xiàn)可能是更為合適的，能夠提高代碼的可讀性和并發(fā)安全性。希望以上內(nèi)容對(duì)你有所幫助。