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Go语言的CSP模型

  go语言的最大两个亮点,一个是goroutine,一个就是chan了。二者合体的典型应用CSP,基本就是大家认可的并行开发神器,简化了并行程序的开发难度,我们来看一下CSP。

  一、CSP是什么

  CSP 是 Communicating Sequential Process 的简称,中文可以叫做通信顺序进程,是一种并发编程模型,是一个很强大的并发数据模型,是上个世纪七十年代提出的,用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 channel(管道)进行通信的并发模型。相对于Actor模型,CSP中channel是第一类对象,它不关注发送消息的实体,而关注与发送消息时使用的channel。

  严格来说,CSP 是一门形式语言(类似于 ℷ calculus),用于描述并发系统中的互动模式,也因此成为一众面向并发的编程语言的理论源头,并衍生出了 Occam/Limbo/Golang…

  而具体到编程语言,如 Golang,其实只用到了 CSP 的很小一部分,即理论中的 Process/Channel(对应到语言中的 goroutine/channel):这两个并发原语之间没有从属关系, Process 可以订阅任意个 Channel,Channel 也并不关心是哪个 Process 在利用它进行通信;Process 围绕 Channel 进行读写,形成一套有序阻塞和可预测的并发模型。

  二、Golang CSP

  与主流语言通过共享内存来进行并发控制方式不同,Go 语言采用了 CSP 模式。这是一种用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 Channel(管道)进行通信的并发模型。

  Golang 就是借用CSP模型的一些概念为之实现并发进行理论支持,其实从实际上出发,go语言并没有,完全实现了CSP模型的所有理论,仅仅是借用了 process和channel这两个概念。process是在go语言上的表现就是 goroutine 是实际并发执行的实体,每个实体之间是通过channel通讯来实现数据共享。

  Go语言的CSP模型是由协程Goroutine与通道Channel实现:

  - Go协程goroutine: 是一种轻量线程,它不是操作系统的线程,而是将一个操作系统线程分段使用,通过调度器实现协作式调度。是一种绿色线程,微线程,它与Coroutine协程也有区别,能够在发现堵塞后启动新的微线程。 - 通道channel: 类似Unix的Pipe,用于协程之间通讯和同步。协程之间虽然解耦,但是它们和Channel有着耦合。

  三、Channel

  Goroutine 和 channel 是 Go 语言并发编程的 两大基石。Goroutine 用于执行并发任务,channel 用于 goroutine 之间的同步、通信。

  Channel 在 gouroutine 间架起了一条管道,在管道里传输数据,实现 gouroutine 间的通信;由于它是线程安全的,所以用起来非常方便;channel 还提供 “先进先出” 的特性;它还能影响 goroutine 的阻塞和唤醒。

  相信大家一定见过一句话:

  Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

  不要通过共享内存来通信,而要通过通信来实现内存共享。

  这就是 Go 的并发哲学,它依赖 CSP 模型,基于 channel 实现。

  channel 实现 CSP

  Channel 是 Go 语言中一个非常重要的类型,是 Go 里的第一对象。通过 channel,Go 实现了通过通信来实现内存共享。Channel 是在多个 goroutine 之间传递数据和同步的重要手段。

  使用原子函数、读写锁可以保证资源的共享访问安全,但使用 channel 更优雅。

  channel 字面意义是 “通道”,类似于 Linux 中的管道。声明 channel 的语法如下:

  go chan T // 声明一个双向通道 chan<- T // 声明一个只能用于发送的通道 <-chan T // 声明一个只能用于接收的通道

  单向通道的声明,用 <- 来表示,它指明通道的方向。你只要明白,代码的书写顺序是从左到右就马上能掌握通道的方向是怎样的。

  因为 channel 是一个引用类型,所以在它被初始化之前,它的值是 nil,channel 使用 make 函数进行初始化。可以向它传递一个 int 值,代表 channel 缓冲区的大小(容量),构造出来的是一个缓冲型的 channel;不传或传 0 的,构造的就是一个非缓冲型的 channel。

  两者有一些差别:非缓冲型 channel 无法缓冲元素,对它的操作一定顺序是 “发送 -> 接收 -> 发送 -> 接收 -> ……”,如果想连续向一个非缓冲 chan 发送 2 个元素,并且没有接收的话,第一次一定会被阻塞;对于缓冲型 channel 的操作,则要 “宽松” 一些,毕竟是带了 “缓冲” 光环。

  对 chan 的发送和接收操作都会在编译期间转换成为底层的发送接收函数。

  Channel 分为两种:带缓冲、不带缓冲。对不带缓冲的 channel 进行的操作实际上可以看作 “同步模式”,带缓冲的则称为 “异步模式”。

  同步模式下,发送方和接收方要同步就绪,只有在两者都 ready 的情况下,数据才能在两者间传输(后面会看到,实际上就是内存拷贝)。否则,任意一方先行进行发送或接收操作,都会被挂起,等待另一方的出现才能被唤醒。

  异步模式下,在缓冲槽可用的情况下(有剩余容量),发送和接收操作都可以顺利进行。否则,操作的一方(如写入)同样会被挂起,直到出现相反操作(如接收)才会被唤醒。

  小结一下:同步模式下,必须要使发送方和接收方配对,操作才会成功,否则会被阻塞;异步模式下,缓冲槽要有剩余容量,操作才会成功,否则也会被阻塞。

  简单来说,CSP 模型由并发执行的实体(线程或者进程或者协程)所组成,实体之间通过发送消息进行通信, 这里发送消息时使用的就是通道,或者叫 channel。

  CSP 模型的关键是关注 channel,而不关注发送消息的实体。Go 语言实现了 CSP 部分理论,goroutine 对应 CSP 中并发执行的实体,channel 也就对应着 CSP 中的 channel。

  四、Goroutine

  Goroutine 是实际并发执行的实体,它底层是使用协程(coroutine)实现并发,coroutine是一种运行在用户态的用户线程,类似于 greenthread,go底层选择使用coroutine的出发点是因为,它具有以下特点:

  用户空间 避免了内核态和用户态的切换导致的成本

  可以由语言和框架层进行调度

  更小的栈空间允许创建大量的实例

  可以看到第二条 用户空间线程的调度不是由操作系统来完成的,像在java 1.3中使用的greenthread的是由JVM统一调度的(后java已经改为内核线程),还有在ruby中的fiber(半协程) 是需要在重新中自己进行调度的,而goroutine是在golang层面提供了调度器,并且对网络IO库进行了封装,屏蔽了复杂的细节,对外提供统一的语法关键字支持,简化了并发程序编写的成本。

  五、Goroutine 调度器

  Go并发调度: G-P-M模型

  在操作系统提供的内核线程之上,Go搭建了一个特有的两级线程模型。goroutine机制实现了M : N的线程模型,goroutine机制是协程(coroutine)的一种实现,golang内置的调度器,可以让多核CPU中每个CPU执行一个协程。

  六、最后

  Golang 的 channel 将 goroutine 隔离开,并发编程的时候可以将注意力放在 channel 上。在一定程度上,这个和消息队列的解耦功能还是挺像的。如果大家感兴趣,还是来看看 channel 的源码吧,对于更深入地理解 channel 还是挺有用的。

  Go 通过 channel 实现 CSP 通信模型,主要用于 goroutine 之间的消息传递和事件通知。

  有了 channel 和 goroutine 之后,Go 的并发编程变得异常容易和安全,得以让程序员把注意力留到业务上去,实现开发效率的提升。

  要知道,技术并不是最重要的,它只是实现业务的工具。一门高效的开发语言让你把节省下来的时间,留着去做更有意义的事情,比如写写文章。

  CSP 最早是由 Tony Hoare在 1977 年提出,据说老爷子至今仍在更新这个理论模型,有兴趣的朋友可以自行查阅电子版本:http://www.usingcsp.com/cspbook.pdf。

  参考文档:https://learnku.com/articles/32142


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