Golang 是一門號稱從語言層面支持并發的編程語言，支持并發是 Golang 一個非常重要的特性。在上一篇文章《44 | 協程：更輕量級的線程》中我們介紹過，Golang 支持協程，協程可以類比 Java 中的線程，解決并發問題的難點就在于線程（協程）之間的協作。

那 Golang 是如何解決協作問題的呢？

總的來說，Golang 提供了兩種不同的方案：一種方案支持協程之間以共享內存的方式通信，Golang 提供了管程和原子類來對協程進行同步控制，這個方案與 Java 語言類似；另一種方案支持協程之間以消息傳遞（Message-Passing）的方式通信，本質上是要避免共享，Golang 的這個方案是基于 CSP（Communicating Sequential Processes）模型實現的。Golang 比較推薦的方案是后者。

什么是 CSP 模型

我們在《42 | Actor 模型：面向對象原生的并發模型》中介紹了 Actor 模型，Actor 模型中 Actor 之間就是不能共享內存的，彼此之間通信只能依靠消息傳遞的方式。Golang 實現的 CSP 模型和 Actor 模型看上去非常相似，Golang 程序員中有句格言：“不要以共享內存方式通信，要以通信方式共享內存（Don’t communicate by sharing memory, share memory by communicating）。”雖然 Golang 中協程之間，也能夠以共享內存的方式通信，但是并不推薦；而推薦的以通信的方式共享內存，實際上指的就是協程之間以消息傳遞方式來通信。

下面我們先結合一個簡單的示例，看看 Golang 中協程之間是如何以消息傳遞的方式實現通信的。我們示例的目標是打印從 1 累加到 100 億的結果，如果使用單個協程來計算，大概需要 4 秒多的時間。單個協程，只能用到 CPU 中的一個核，為了提高計算性能，我們可以用多個協程來并行計算，這樣就能發揮多核的優勢了。

在下面的示例代碼中，我們用了 4 個子協程來并行執行，這 4 個子協程分別計算[1, 25 億]、(25 億, 50 億]、(50 億, 75 億]、(75 億, 100 億]，最后再在主協程中匯總 4 個子協程的計算結果。主協程要匯總 4 個子協程的計算結果，勢必要和 4 個子協程之間通信，Golang 中協程之間通信推薦的是使用 channel，channel 你可以形象地理解為現實世界里的管道。另外，calc() 方法的返回值是一個只能接收數據的 channel ch，它創建的子協程會把計算結果發送到這個 ch 中，而主協程也會將這個計算結果通過 ch 讀取出來。

import ("fmt""time" ) func main() {// 變量聲明var result, i uint64// 單個協程執行累加操作start := time.Now()for i = 1; i <= 10000000000; i++ {result += i}// 統計計算耗時elapsed := time.Since(start)fmt.Printf("執行消耗的時間為:", elapsed)fmt.Println(", result:", result)// 4個協程共同執行累加操作start = time.Now()ch1 := calc(1, 2500000000)ch2 := calc(2500000001, 5000000000)ch3 := calc(5000000001, 7500000000)ch4 := calc(7500000001, 10000000000)// 匯總4個協程的累加結果result = <-ch1 + <-ch2 + <-ch3 + <-ch4// 統計計算耗時elapsed = time.Since(start)fmt.Printf("執行消耗的時間為:", elapsed)fmt.Println(", result:", result) } // 在協程中異步執行累加操作，累加結果通過channel傳遞 func calc(from uint64, to uint64) <-chan uint64 {// channel用于協程間的通信ch := make(chan uint64)// 在協程中執行累加操作go func() {result := fromfor i := from + 1; i <= to; i++ {result += i}// 將結果寫入channelch <- result}()// 返回結果是用于通信的channelreturn ch }

CSP 模型與生產者 - 消費者模式

你可以簡單地把 Golang 實現的 CSP 模型類比為生產者 - 消費者模式，而 channel 可以類比為生產者 - 消費者模式中的阻塞隊列。不過，需要注意的是 Golang 中 channel 的容量可以是 0，容量為 0 的 channel 在 Golang 中被稱為無緩沖的 channel，容量大于 0 的則被稱為有緩沖的 channel。

無緩沖的 channel 類似于 Java 中提供的 SynchronousQueue，主要用途是在兩個協程之間做數據交換。比如上面累加器的示例代碼中，calc() 方法內部創建的 channel 就是無緩沖的 channel。
而創建一個有緩沖的 channel 也很簡單，在下面的示例代碼中，我們創建了一個容量為 4 的 channel，同時創建了 4 個協程作為生產者、4 個協程作為消費者。

// 創建一個容量為4的channel ch := make(chan int, 4) // 創建4個協程，作為生產者 for i := 0; i < 4; i++ {go func() {ch <- 7}() } // 創建4個協程，作為消費者 for i := 0; i < 4; i++ {go func() {o := <-chfmt.Println("received:", o)}() }

Golang 中的 channel 是語言層面支持的，所以可以使用一個左向箭頭（<-）來完成向 channel 發送數據和讀取數據的任務，使用上還是比較簡單的。Golang 中的 channel 是支持雙向傳輸的，所謂雙向傳輸，指的是一個協程既可以通過它發送數據，也可以通過它接收數據。

不僅如此，Golang 中還可以將一個雙向的 channel 變成一個單向的 channel，在累加器的例子中，calc() 方法中創建了一個雙向 channel，但是返回的就是一個只能接收數據的單向 channel，所以主協程中只能通過它接收數據，而不能通過它發送數據，如果試圖通過它發送數據，編譯器會提示錯誤。對比之下，雙向變單向的功能，如果以 SDK 方式實現，還是很困難的。

CSP 模型與 Actor 模型的區別

同樣是以消息傳遞的方式來避免共享，那 Golang 實現的 CSP 模型和 Actor 模型有什么區別呢？

第一個最明顯的區別就是：Actor 模型中沒有 channel。雖然 Actor 模型中的 mailbox 和 channel 非常像，看上去都像個 FIFO 隊列，但是區別還是很大的。Actor 模型中的 mailbox 對于程序員來說是“透明”的，mailbox 明確歸屬于一個特定的 Actor，是 Actor 模型中的內部機制；而且 Actor 之間是可以直接通信的，不需要通信中介。但 CSP 模型中的 channel 就不一樣了，它對于程序員來說是“可見”的，是通信的中介，傳遞的消息都是直接發送到 channel 中的。

第二個區別是：Actor 模型中發送消息是非阻塞的，而 CSP 模型中是阻塞的。Golang 實現的 CSP 模型，channel 是一個阻塞隊列，當阻塞隊列已滿的時候，向 channel 中發送數據，會導致發送消息的協程阻塞。

第三個區別則是關于消息送達的。在《42 | Actor 模型：面向對象原生的并發模型》這篇文章中，我們介紹過 Actor 模型理論上不保證消息百分百送達，而在 Golang 實現的 CSP 模型中，是能保證消息百分百送達的。不過這種百分百送達也是有代價的，那就是有可能會導致死鎖。
比如，下面這段代碼就存在死鎖問題，在主協程中，我們創建了一個無緩沖的 channel ch，然后從 ch 中接收數據，此時主協程阻塞，main() 方法中的主協程阻塞，整個應用就阻塞了。這就是 Golang 中最簡單的一種死鎖。

func main() {// 創建一個無緩沖的channel ch := make(chan int)// 主協程會阻塞在此處，發生死鎖<- ch }

總結

Golang 中雖然也支持傳統的共享內存的協程間通信方式，但是推薦的還是使用 CSP 模型，以通信的方式共享內存。
Golang 中實現的 CSP 模型功能上還是很豐富的，例如支持 select 語句，select 語句類似于網絡編程里的多路復用函數 select()，只要有一個 channel 能夠發送成功或者接收到數據就可以跳出阻塞狀態。鑒于篇幅原因，我就點到這里，不詳細介紹那么多了。

CSP 模型是托尼·霍爾（Tony Hoare）在 1978 年提出的，不過這個模型這些年一直都在發展，其理論遠比 Golang 的實現復雜得多，如果你感興趣，可以參考霍爾寫的Communicating Sequential Processes這本電子書。另外，霍爾在并發領域還有一項重要成就，那就是提出了霍爾管程模型，這個你應該很熟悉了，Java 領域解決并發問題的理論基礎就是它。
Java 領域可以借助第三方的類庫JCSP來支持 CSP 模型，相比 Golang 的實現，JCSP 更接近理論模型，如果你感興趣，可以下載學習。不過需要注意的是，JCSP 并沒有經過廣泛的生產環境檢驗，所以并不建議你在生產環境中使用。
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程实战~协程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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