Синхронизация горутин в параллельном программировании

Введение

Этот лаба旨在演示如何使用каналы и горутины для синхронизации доступа к общему состоянию между несколькими горутинами.

Skills Graph

Состоятельные горутины

В параллельном программировании至关重要的是同步对共享状态的访问，以避免竞争条件和数据损坏。此实验室展示了一种场景，其中单个 горутина拥有状态，而其他 горутины发送消息以读取或写入该状态。

• 使用通道向拥有状态的 горутине发出读取和写入请求。
• 使用 readOp 和 writeOp 结构体来封装请求和响应。
• 使用映射来存储状态。
• 使用 resp 通道来指示成功并返回值。
• 使用 atomic 包来统计读取和写入操作。
• 使用 time 包在操作之间添加延迟。

## Запуск нашей программы показывает, что пример управления
## состоянием на основе горутин завершает примерно 80 000
## операций в сумме.
$ go run stateful-goroutines.go
readOps: 71708
writeOps: 7177

## В этом конкретном случае подход на основе горутин был
## немного более сложным, чем подход на основе мьютексов.
## Однако он может быть полезен в некоторых случаях,
## например, когда вы используете другие каналы или когда
## управление несколькими такими мьютексами может привести
## к ошибкам. Вы должны использовать тот подход, который
## кажется наиболее естественным, особенно в отношении
## понимания правильности вашей программы.

Ниже представлен полный код:

// В предыдущем примере мы использовали явное блокирование с
// помощью [мьютексов](mutexes), чтобы синхронизировать доступ
// к общему состоянию между несколькими горутинами.
// Другой вариант — использовать встроенные функции
// синхронизации горутин и каналов, чтобы достичь того же
// результата. Этот подход на основе каналов соответствует
// идеям Go о разделении памяти путём коммуникации и
// обеспечением того, чтобы каждая часть данных была
// принадлежащей ровно одной горутине.

package main

import (
	"fmt"
	"math/rand"
	"sync/atomic"
	"time"
)

// В этом примере наше состояние будет принадлежать одной
// горутине. Это гарантирует, что данные никогда не будут
// повреждены при одновременном доступе. Чтобы прочитать или
// записать это состояние, другие горутины будут отправлять
// сообщения в горутину-владельца и получать соответствующие
// ответы. Эти структуры `readOp` и `writeOp` encapsulate
// эти запросы и способ ответа для горутины-владельца.
type readOp struct {
	key  int
	resp chan int
}
type writeOp struct {
	key  int
	val  int
	resp chan bool
}

func main() {

	// Как и раньше мы будем подсчитывать, сколько операций
	// мы выполняем.
	var readOps uint64
	var writeOps uint64

	// Каналы `reads` и `writes` будут использоваться другими
	// горутинами для отправки запросов на чтение и запись,
	// соответственно.
	reads := make(chan readOp)
	writes := make(chan writeOp)

	// Вот горутина, которая владеет `state`, которое является
	// картой, как в предыдущем примере, но теперь приватной
	// для состояятельной горутины. Эта горутина постоянно
	// выбирает между каналами `reads` и `writes`,
	// реагируя на запросы по их поступлению. Ответ выполняется
	// путём предварительного выполнения запрошенной операции
	// и последующей отправки значения по каналу ответа `resp`,
	// чтобы показать успех (и запрашиваемое значение в случае
	// `reads`).
	go func() {
		var state = make(map[int]int)
		for {
			select {
			case read := <-reads:
				read.resp <- state[read.key]
			case write := <-writes:
				state[write.key] = write.val
				write.resp <- true
			}
		}
	}()

	// Это запускает 100 горутин для отправки запросов на чтение
	// в горутину-владельцу состояния через канал `reads`.
	// Каждый запрос на чтение требует создания `readOp`,
	// отправки его по каналу `reads` и получения результата по
	// предоставленному каналу `resp`.
	for r := 0; r < 100; r++ {
		go func() {
			for {
				read := readOp{
					key:  rand.Intn(5),
					resp: make(chan int)}
				reads <- read
				<-read.resp
				atomic.AddUint64(&readOps, 1)
				time.Sleep(time.Millisecond)
			}
		}()
	}

	// Мы также запускаем 10 записей, используя аналогичный
	// подход.
	for w := 0; w < 10; w++ {
		go func() {
			for {
				write := writeOp{
					key:  rand.Intn(5),
					val:  rand.Intn(100),
					resp: make(chan bool)}
				writes <- write
				<-write.resp
				atomic.AddUint64(&writeOps, 1)
				time.Sleep(time.Millisecond)
			}
		}()
	}

	// Позволим горутинам работать в течение секунды.
	time.Sleep(time.Second)

	// Наконец, получите и выведите количество операций.
	readOpsFinal := atomic.LoadUint64(&readOps)
	fmt.Println("readOps:", readOpsFinal)
	writeOpsFinal := atomic.LoadUint64(&writeOps)
	fmt.Println("writeOps:", writeOpsFinal)
}

Резюме

Этот лаба показал, как использовать каналы и горутины для синхронизации доступа к общему состоянию. Сделав одну горутину владельцем состояния и используя каналы для отправки запросов на чтение и запись, мы можем избежать ситуаций гонки и повреждения данных.