Go 语言的并发原语允许开发者以类似于 Unix Pipe 的方式构建数据流水线 (data pipelines),数据流水线能够高效地利用 I/O 和多核 CPU 的优势。
本文要讲的就是一些使用流水线的一些例子,流水线的错误处理也是本文的重点。
数据流水线充分利用了多核特性,代码层面是基于 channel 类型 和 go 关键字。
channel 和 go 贯穿本文的始终。如果你对这两个概念不太了解,建议先阅读之前发布的两篇文章:Go 语言内存模型(上 /下)。
如果你对操作系统中"生产者"和"消费者"模型比较了解的话,也将有助于对本文中流水线的理解。
本文中绝大多数讲解都是基于代码进行的。换句话说,如果你看不太懂某些代码片段,建议补全以后,在机器或 play.golang.org 上运行一下。对于某些不明白的细节,可以手动添加一些语句以助于理解。
由于 Go 语言并发模型 的英文原文 Go Concurrency Patterns: Pipelines and cancellation 篇幅比较长,本文只包含 理论推导和简单的例子。 下一篇文章我们会对 "并行 MD5" 这个现实生活的例子进行详细地讲解。
对于"流水线"这个概念, Go 语言中并没有正式的定义,它只是很多种并发方式的一种。这里我给出一个非官方的定义:一条流水线是 是由多个阶段组成的,相邻的两个阶段由 channel 进行连接; 每个阶段是由一组在同一个函数中启动的 goroutine 组成。在每个阶段,这些 goroutine 会执行下面三个操作:
除了第一个和最后一个阶段,每个阶段都可以有任意个 inbound 和 outbound channel 。
显然,第一个阶段只有 outbound channel ,而最后一个阶段只有 inbound channel 。
我们通常称第一个阶段为"生产者"
或"源头"
,称最后一个阶段为"消费者"
或"接收者"
。
首先,我们通过一个简单的例子来演示这个概念和其中的技巧。后面我们会更出一个真实世界的例子。
假设我们有一个流水线,它由三个阶段组成。
第一阶段是 gen 函数,它能够将一组整数转换为 channel , channel 可以将数字发送出去。 gen 函数首先启动一个 goroutine ,该 goroutine 发送数字到 channel ,当数字发送完时关闭 channel 。 代码如下:
func gen(nums ...int) <-chan int {
out := make(chan int)
go func() {
for _, n := range nums {
out <- n
}
close(out)
}()
return out
}
第二阶段是 sq 函数,它从 channel 接收一个整数,然后返回 一个 channel ,返回的 channel 可以发送 接收到整数的平方。 当它的 inbound channel 关闭,并且把所有数字均发送到下游时,会关闭 outbound channel 。代码如下:
func sq(in <-chan int) <-chan int {
out := make(chan int)
go func() {
for n := range in {
out <- n * n
}
close(out)
}()
return out
}
main 函数 用于设置流水线并运行最后一个阶段。最后一个阶段会从第二阶段接收数字,并逐个打印出来,直到来自于上游的 inbound channel 关闭。代码如下:
func main() {
// 设置流水线
c := gen(2, 3)
out := sq(c)
// 消费输出结果
fmt.Println(<-out) // 4
fmt.Println(<-out) // 9
}
由于 sq 函数的 inbound channel 和 outbound channel 类型一样,所以组合任意个 sq 函数。比如像下面这样使用:
func main() {
// 设置流水线并消费输出结果
for n := range sq(sq(gen(2, 3))) {
fmt.Println(n) // 16 then 81
}
}
如果我们稍微修改一下 gen 函数,便可以模拟 haskell 的惰性求值。有兴趣的读者可以自己折腾一下。
扇出:同一个 channel 可以被多个函数读取数据,直到 channel 关闭。 这种机制允许将工作负载分发到一组 worker ,以便更好地并行使用 CPU 和 I/O 。
扇入:多个 channel 的数据可以被同一个函数读取和处理,然后合并到一个 channel ,直到所有 channel 都关闭。
下面这张图对 扇入 有一个直观的描述:
我们修改一下上个例子中的流水线,这里我们运行两个 sq 实例,它们从同一个 channel 读取数据。 这里我们引入一个新函数 merge 对结果进行"扇入"操作:
func main() {
in := gen(2, 3)
// 启动两个 sq 实例,即两个 goroutines 处理 channel "in" 的数据
c1 := sq(in)
c2 := sq(in)
// merge 函数将 channel c1 和 c2 合并到一起,这段代码会消费 merge 的结果
for n := range merge(c1, c2) {
fmt.Println(n) // 打印 4 9, 或 9 4
}
}
merge 函数 将多个 channel 转换为一个 channel ,它为每一个 inbound channel 启动一个 goroutine ,用于将数据 拷贝到 outbound channel 。 merge 函数的实现见下面代码 (注意 wg 变量):
func merge(cs ...<-chan int) <-chan int {
var wg sync.WaitGroup
out := make(chan int)
// 为每一个输入 channel cs 创建一个 goroutine output
// output 将数据从 c 拷贝到 out ,直到 c 关闭,然后 调用 wg.Done
output := func(c <-chan int) {
for n := range c {
out <- n
}
wg.Done()
}
wg.Add(len(cs))
for _, c := range cs {
go output(c)
}
// 启动一个 goroutine ,用于所有 output goroutine 结束时,关闭 out
// 该 goroutine 必须在 wg.Add 之后启动
go func() {
wg.Wait()
close(out)
}()
return out
}
在上面的代码中,每个 inbound channel 对应一个 output
函数。所有 output
goroutine 被创建以后, merge 启动一个额外的 goroutine ,
这个 goroutine 会等待所有 inbound channel 上的发送操作结束以后,关闭 outbound channel 。
对已经关闭的 channel 执行发送操作(ch<-)会导致异常,所以我们必须保证所有的发送操作都在关闭 channel 之前结束。 sync.WaitGroup 提供了一种组织同步的方式。 它保证 merge 中所有 inbound channel (cs ...<-chan int) 均被正常关闭, output goroutine 正常结束后,关闭 out channel 。
在使用流水线函数时,有一个固定的模式:
在这种模式下,每一个接收阶段都可以写成 range
循环的方式,
从而保证所有数据都被成功发送到下游后, goroutine 能够立即退出。
在现实中,阶段并不总是接收所有的 inbound 数据。有时候是设计如此:接收者可能只需要数据的一个子集就可以继续执行。 更常见的情况是:由于前一个阶段返回一个错误,导致该阶段提前退出。 这两种情况下,接收者都不应该继续等待后面的值被传送过来。
我们期望的结果是:当后一个阶段不需要数据时,上游阶段能够停止生产。
在我们的例子中,如果一个阶段不能消费所有的 inbound 数据,试图发送这些数据的 goroutine 会永久阻塞。看下面这段代码片段:
// 只消费 out 的第一个数据
out := merge(c1, c2)
fmt.Println(<-out) // 4 or 9
return
// 由于我们不再接收 out 的第二个数据
// 其中一个 goroutine output 将会在发送时被阻塞
}
显然这里存在资源泄漏。一方面 goroutine 消耗内存和运行时资源,另一方面 goroutine 栈中的堆引用会阻止 gc 执行回收操作。 既然 goroutine 不能被回收,那么他们必须自己退出。
我们重新整理一下流水线中的不同阶段,保证在下游阶段接收数据失败时,上游阶段也能够正常退出。 一个方式是使用带有缓冲的管道作为 outbound channel 。缓存可以存储固定个数的数据。 如果缓存没有用完,那么发送操作会立即返回。看下面这段代码示例:
c := make(chan int, 2) // 缓冲大小为 2
c <- 1 // 立即返回
c <- 2 // 立即返回
c <- 3 // 该操作会被阻塞,直到有一个 goroutine 执行 <-c ,并接收到数字 1
如果在创建 channel 时就知道要发送的值的个数,使用 buffer 就能够简化代码。 仍然使用求平方数的例子,我们对 gen 函数进行重写。我们将这组整型数拷贝到一个 缓冲 channel 中,从而避免创建一个新的 goroutine :
func gen(nums ...int) <-chan int {
out := make(chan int, len(nums))
for _, n := range nums {
out <- n
}
close(out)
return out
}
回到 流水线中被阻塞的 goroutine ,我们考虑让 merge 函数返回一个缓冲管道:
func merge(cs ...<-chan int) <-chan int {
var wg sync.WaitGroup
out := make(chan int, 1) // 在本例中存储未读的数据足够了
// ... 其他部分代码不变 ...
尽管这种方法解决了这个程序中阻塞 goroutine 的问题,但是从长远来看,它并不是好办法。 缓存大小选择为 1 是建立在两个前提之上:
这段代码很脆弱。如果我们在传入一个值给 gen 函数,或者下游阶段读取的值变少, goroutine 会再次被阻塞。
为了从根本上解决这个问题,我们需要提供一种机制,让下游阶段能够告知上游发送者停止接收的消息。 下面我们看下这种机制。
当 main 函数决定退出,并停止接收 out 发送的任何数据时,它必须告诉上游阶段的 goroutine 让它们放弃 正在发送的数据。 main 函数通过发送数据到一个名为 done 的 channel 实现这样的机制。 由于有两个潜在的 发送者被阻塞,它发送两个值。如下代码所示:
func main() {
in := gen(2, 3)
// 启动两个运行 sq 的 goroutine
// 两个 goroutine 的数据均来自于 in
c1 := sq(in)
c2 := sq(in)
// 消耗 output 生产的第一个值
done := make(chan struct{}, 2)
out := merge(done, c1, c2)
fmt.Println(<-out) // 4 or 9
// 告诉其他发送者,我们将要离开
// 不再接收它们的数据
done <- struct{}{}
done <- struct{}{}
}
发送数据的 goroutine 使用一个 select 表达式代替原来的操作, select 表达式只有在接收到 out 或 done 发送的数据后,才会继续进行下去。 done 的值类型为 struct{} ,因为它发送什么值不重要,重要的是它发送没发送: 接收事件发生意味着 channel out 的发送操作被丢弃。 goroutine output 基于 inbound channel c 继续执行 循环,所以上游阶段不会被阻塞。(后面我们会讨论如何让循环提前退出)。 使用 done channel 方式实现的 merge 函数如下:
func merge(done <-chan struct{}, cs ...<-chan int) <-chan int {
var wg sync.WaitGroup
out := make(chan int)
// 为 cs 的的每一个 输入 channel
// 创建一个 goroutine 。 output 函数将
// 数据从 c 拷贝到 out ,直到 c 关闭,
// 或者接收到 done 信号;
// 然后调用 wg.Done()
output := func(c <-chan int) {
for n := range c {
select {
case out <- n:
case <-done:
}
}
wg.Done()
}
// ... the rest is unchanged ...
这种方法有一个问题:每一个下游的接收者需要知道潜在被阻上游发送者的个数,然后向这些发送者发送信号让它们提前退出。 时刻追踪这些数目是一项繁琐且易出错的工作。
我们需要一种方式能够让未知数目、且个数不受限制的 goroutine 停止向下游发送数据。在 Go 语言中,我们可以通过关闭一个
channel 实现,因为在一个已关闭 channel 上执行接收操作(<-ch)总是能够立即返回,返回值是对应类型的零值
。关于这点的细节,点击这里查看。
换句话说,我们只要关闭 done channel ,就能够让解开对所有发送者的阻塞。对一个管道的关闭操作事实上是对所有接收者的广播信号。
我们把 done channel 作为一个参数传递给每一个 流水线上的函数,通过 defer 表达式声明对 done channel 的关闭操作。 因此,所有从 main 函数作为源头被调用的函数均能够收到 done 的信号,每个阶段都能够正常退出。 使用 done 对 main 函数重构以后,代码如下:
func main() {
// 设置一个 全局共享的 done channel ,
// 当流水线退出时,关闭 done channel
// 所有 goroutine 接收到 done 的信号后,
// 都会正常退出。
done := make(chan struct{})
defer close(done)
in := gen(done, 2, 3)
// 将 sq 的工作分发给两个 goroutine
// 这两个 goroutine 均从 in 读取数据
c1 := sq(done, in)
c2 := sq(done, in)
// 消费 outtput 生产的第一个值
out := merge(done, c1, c2)
fmt.Println(<-out) // 4 or 9
// defer 调用时, done channel 会被关闭。
}
现在,流水线中的每个阶段都能够在 done channel 被关闭时返回。 merge 函数中的 output 代码也能够顺利返回,因为它 知道 done channel 关闭时,上游发送者 sq 会停止发送数据。 在 defer 表达式执行结束时,所有调用链上的 output 都能保证 wg.Done() 被调用:
func merge(done <-chan struct{}, cs ...<-chan int) <-chan int {
var wg sync.WaitGroup
out := make(chan int)
// 为 cs 的每一个 channel 创建一个 goroutine
// 这个 goroutine 运行 output ,它将数据从 c
// 拷贝到 out ,直到 c 关闭,或者 接收到 done
// 的关闭信号。人啊后调用 wg.Done()
output := func(c <-chan int) {
defer wg.Done()
for n := range c {
select {
case out <- n:
case <-done:
return
}
}
}
// ... the rest is unchanged ...
同样的原理, done channel 被关闭时, sq 也能够立即返回。在 defer 表达式执行结束时,所有调用链上的 sq 都能保证 out channel 被关闭。代码如下:
func sq(done <-chan struct{}, in <-chan int) <-chan int {
out := make(chan int)
go func() {
defer close(out)
for n := range in {
select {
case out <- n * n:
case <-done:
return
}
}
}()
return out
}
这里,我们给出几条构建流水线的指导:
流水线通过两种方式解除发送者的阻塞:
本文介绍了 Go 语言中构建数据流水线的一些技巧。流水线的错误处理比较复杂,流水线的每个阶段都可能阻塞向下游发送数据, 下游阶段也可能不再关注上游发送的数据。上面我们介绍了通过关闭一个 channel ,向流水线中的所有 goroutine 发送一个 "done" 信号;也定义了 构建流水线的正确方法。
下一篇文章,我们将通过一个 并行 md5 的例子来说明本文所讲的一些理念和技巧。
原作者 Sameer Ajmani ,翻译 Oscar
下期预告: Go 语言并发模型:以并行 md5 计算为例。原文链接
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1
pubby 2016-08-14 00:25:23 +08:00
翻译得不错
感觉 merge 应该再改造一下 output := func(c <-chan int) { defer wg.Done() for { // 不依赖上游 chan select { case <-done: // 放第一个,尽早退出 return case n,ok:=<- c: if !ok { // inbound closed return } out <- n } } } |
2
pubby 2016-08-14 00:28:19 +08:00
写错了,跟 switch 搞混了 -_-
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3
struCoder 2016-08-15 13:56:19 +08:00
我之前翻译的一篇老外的关于 golang 中的特性文章,与 lz 表达的很有相似度。
http://www.strucoder.com/2016/03/15/gozhong-de-bing-fa-ke-shi-hua/ |