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详解Golang 中的并发限制与超时控制

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前言

上回在 用 Go 写一个轻量级的 ssh 批量操作工具 里提及过，我们做 Golang 并发的时候要对并发进行限制，对 goroutine 的执行要有超时控制。那会没有细说，这里展开讨论一下。

以下示例代码全部可以直接在 The Go Playground 上运行测试：

并发

我们先来跑一个简单的并发看看

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func run(task_id, sleeptime int, ch chan string) {

  time.Sleep(time.Duration(sleeptime) * time.Second)
  ch <- fmt.Sprintf("task id %d , sleep %d second", task_id, sleeptime)
  return
}

func main() {
  input := []int{3, 2, 1}
  ch := make(chan string)
  startTime := time.Now()
  fmt.Println("Multirun start")
  for i, sleeptime := range input {
    go run(i, sleeptime, ch)
  }

  for range input {
    fmt.Println(<-ch)
  }

  endTime := time.Now()
  fmt.Printf("Multissh finished. Process time %s. Number of tasks is %d", endTime.Sub(startTime), len(input))
}

函数 run() 接受输入的参数，sleep 若干秒。然后通过 go 关键字并发执行，通过 channel 返回结果。

channel 顾名思义，他就是 goroutine 之间通信的“管道"。管道中的数据流通，实际上是 goroutine 之间的一种内存共享。我们通过他可以在 goroutine 之间交互数据。

ch <- xxx // 向 channel 写入数据
<- ch // 从 channel 中读取数据

channel 分为无缓冲(unbuffered)和缓冲(buffered)两种。例如刚才我们通过如下方式创建了一个无缓冲的 channel。

ch := make(chan string)

channel 的缓冲，我们一会再说，先看看刚才看看执行的结果。

Multirun start
task id 2 , sleep 1 second
task id 1 , sleep 2 second
task id 0 , sleep 3 second
Multissh finished. Process time 3s. Number of tasks is 3
Program exited.

三个 goroutine `分别 sleep 了 3，2，1秒。但总耗时只有 3 秒。所以并发生效了，go 的并发就是这么简单。

按序返回

刚才的示例中，我执行任务的顺序是 0，1，2。但是从 channel 中返回的顺序却是 2，1，0。这很好理解，因为 task 2 执行的最快嘛，所以先返回了进入了 channel，task 1 次之，task 0 最慢。

如果我们希望按照任务执行的顺序依次返回数据呢？可以通过一个 channel 数组（好吧，应该叫切片）来做，比如这样

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func run(task_id, sleeptime int, ch chan string) {

  time.Sleep(time.Duration(sleeptime) * time.Second)
  ch <- fmt.Sprintf("task id %d , sleep %d second", task_id, sleeptime)
  return
}

func main() {
  input := []int{3, 2, 1}
  chs := make([]chan string, len(input))
  startTime := time.Now()
  fmt.Println("Multirun start")
  for i, sleeptime := range input {
    chs[i] = make(chan string)
    go run(i, sleeptime, chs[i])
  }

  for _, ch := range chs {
    fmt.Println(<-ch)
  }

  endTime := time.Now()
  fmt.Printf("Multissh finished. Process time %s. Number of tasks is %d", endTime.Sub(startTime), len(input))
}

运行结果，现在输出的次序和输入的次序一致了。

Multirun start
task id 0 , sleep 3 second
task id 1 , sleep 2 second
task id 2 , sleep 1 second
Multissh finished. Process time 3s. Number of tasks is 3
Program exited.

超时控制

刚才的例子里我们没有考虑超时。然而如果某个 goroutine 运行时间太长了，那很肯定会拖累主 goroutine 被阻塞住，整个程序就挂起在那儿了。因此我们需要有超时的控制。

通常我们可以通过select + time.After 来进行超时检查，例如这样，我们增加一个函数 Run() ，在 Run() 中执行 go run() 。并通过 select + time.After 进行超时判断。

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func Run(task_id, sleeptime, timeout int, ch chan string) {
  ch_run := make(chan string)
  go run(task_id, sleeptime, ch_run)
  select {
  case re := <-ch_run:
    ch <- re
  case <-time.After(time.Duration(timeout) * time.Second):
    re := fmt.Sprintf("task id %d , timeout", task_id)
    ch <- re
  }
}

func run(task_id, sleeptime int, ch chan string) {

  time.Sleep(time.Duration(sleeptime) * time.Second)
  ch <- fmt.Sprintf("task id %d , sleep %d second", task_id, sleeptime)
  return
}

func main() {
  input := []int{3, 2, 1}
  timeout := 2
  chs := make([]chan string, len(input))
  startTime := time.Now()
  fmt.Println("Multirun start")
  for i, sleeptime := range input {
    chs[i] = make(chan string)
    go Run(i, sleeptime, timeout, chs[i])
  }

  for _, ch := range chs {
    fmt.Println(<-ch)
  }
  endTime := time.Now()
  fmt.Printf("Multissh finished. Process time %s. Number of task is %d", endTime.Sub(startTime), len(input))
}

运行结果，task 0 和 task 1 已然超时

Multirun start
task id 0 , timeout
task id 1 , timeout
tasi id 2 , sleep 1 second
Multissh finished. Process time 2s. Number of task is 3
Program exited.

并发限制

如果任务数量太多，不加以限制的并发开启 goroutine 的话，可能会过多的占用资源，服务器可能会爆炸。所以实际环境中并发限制也是一定要做的。

一种常见的做法就是利用 channel 的缓冲机制——开始的时候我们提到过的那个。

我们分别创建一个带缓冲和不带缓冲的 channel 看看

ch := make(chan string) // 这是一个无缓冲的 channel，或者说缓冲区长度是 0
ch := make(chan string, 1) // 这是一个带缓冲的 channel, 缓冲区长度是 1

这两者的区别在于，如果 channel 没有缓冲，或者缓冲区满了。goroutine 会自动阻塞，直到 channel 里的数据被读走为止。举个例子

package main

import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch := make(chan string)
  ch <- "123"
  fmt.Println(<-ch)
}

这段代码执行将报错

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:
main.main()
    /tmp/sandbox531498664/main.go:9 +0x60

Program exited.

这是因为我们创建的 ch 是一个无缓冲的 channel。因此在执行到 ch<-"123",这个 goroutine 就阻塞了，后面的 fmt.Println(<-ch) 没有办法得到执行。所以将会报 deadlock 错误。

如果我们改成这样，程序就可以执行

package main

import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch := make(chan string, 1)
  ch <- "123"
  fmt.Println(<-ch)
}

执行

123

Program exited.

如果我们改成这样

package main

import (
  "fmt"
)

func main() {
  ch := make(chan string, 1)
  ch <- "123"
  ch <- "123"
  fmt.Println(<-ch)
  fmt.Println(<-ch)
}

尽管读取了两次 channel，但是程序还是会死锁，因为缓冲区满了，goroutine 阻塞挂起。第二个 ch<- "123" 是没有办法写入的。

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:
main.main()
    /tmp/sandbox642690323/main.go:10 +0x80

Program exited.

因此，利用 channel 的缓冲设定，我们就可以来实现并发的限制。我们只要在执行并发的同时，往一个带有缓冲的 channel 里写入点东西（随便写啥，内容不重要）。让并发的 goroutine 在执行完成后把这个 channel 里的东西给读走。这样整个并发的数量就讲控制在这个 channel 的缓冲区大小上。

比如我们可以用一个 bool 类型的带缓冲 channel 作为并发限制的计数器。

chLimit := make(chan bool, 1)

然后在并发执行的地方，每创建一个新的 goroutine，都往 chLimit 里塞个东西。

  for i, sleeptime := range input {
    chs[i] = make(chan string, 1)
    chLimit <- true
    go limitFunc(chLimit, chs[i], i, sleeptime, timeout)
  }

这里通过 go 关键字并发执行的是新构造的函数。他在执行完原来的 Run() 后，会把 chLimit 的缓冲区里给消费掉一个。

  limitFunc := func(chLimit chan bool, ch chan string, task_id, sleeptime, timeout int) {
    Run(task_id, sleeptime, timeout, ch)
    <-chLimit
  }

这样一来，当创建的 goroutine 数量到达 chLimit 的缓冲区上限后。主 goroutine 就挂起阻塞了，直到这些 goroutine 执行完毕，消费掉了 chLimit 缓冲区中的数据，程序才会继续创建新的 goroutine。我们并发数量限制的目的也就达到了。

以下是完整代码

package main

import (
  "fmt"
  "time"
)

func Run(task_id, sleeptime, timeout int, ch chan string) {
  ch_run := make(chan string)
  go run(task_id, sleeptime, ch_run)
  select {
  case re := <-ch_run:
    ch <- re
  case <-time.After(time.Duration(timeout) * time.Second):
    re := fmt.Sprintf("task id %d , timeout", task_id)
    ch <- re
  }
}

func run(task_id, sleeptime int, ch chan string) {

  time.Sleep(time.Duration(sleeptime) * time.Second)
  ch <- fmt.Sprintf("task id %d , sleep %d second", task_id, sleeptime)
  return
}

func main() {
  input := []int{3, 2, 1}
  timeout := 2
  chLimit := make(chan bool, 1)
  chs := make([]chan string, len(input))
  limitFunc := func(chLimit chan bool, ch chan string, task_id, sleeptime, timeout int) {
    Run(task_id, sleeptime, timeout, ch)
    <-chLimit
  }
  startTime := time.Now()
  fmt.Println("Multirun start")
  for i, sleeptime := range input {
    chs[i] = make(chan string, 1)
    chLimit <- true
    go limitFunc(chLimit, chs[i], i, sleeptime, timeout)
  }

  for _, ch := range chs {
    fmt.Println(<-ch)
  }
  endTime := time.Now()
  fmt.Printf("Multissh finished. Process time %s. Number of task is %d", endTime.Sub(startTime), len(input))
}

运行结果

Multirun start
task id 0 , timeout
task id 1 , timeout
task id 2 , sleep 1 second
Multissh finished. Process time 5s. Number of task is 3
Program exited.

chLimit 的缓冲是 1。task 0 和 task 1 耗时 2 秒超时。task 2 耗时 1 秒。总耗时 5 秒。并发限制生效了。

如果我们修改并发限制为 2

chLimit := make(chan bool, 2)

运行结果

Multirun start
task id 0 , timeout
task id 1 , timeout
task id 2 , sleep 1 second
Multissh finished. Process time 3s. Number of task is 3
Program exited.

task 0 , task 1 并发执行，耗时 2秒。task 2 耗时 1秒。总耗时 3 秒。符合预期。

有没有注意到代码里有个地方和之前不同。这里，用了一个带缓冲的 channel

chs[i] = make(chan string, 1)

还记得上面的例子么。如果 channel 不带缓冲，那么直到他被消费掉之前，这个 goroutine 都会被阻塞挂起。

然而如果这里的并发限制，也就是 chLimit 生效阻塞了主 goroutine，那么后面消费这些数据的代码并不会执行到。。。于是就 deadlock 拉！

  for _, ch := range chs {
    fmt.Println(<-ch)
  }

所以给他一个缓冲就好了。

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