45 | CSP模型：Golang的主力队员

王宝令 2019-06-11

45 - 图1

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讲述：王宝令大小：7.47M时长：08:09

Golang 是一门号称从语言层面支持并发的编程语言，支持并发是 Golang 一个非常重要的特性。在上一篇文章《44 | 协程：更轻量级的线程》中我们介绍过，Golang 支持协程，协程可以类比 Java 中的线程，解决并发问题的难点就在于线程（协程）之间的协作。

那 Golang 是如何解决协作问题的呢？

总的来说，Golang 提供了两种不同的方案：一种方案支持协程之间以共享内存的方式通信，Golang 提供了管程和原子类来对协程进行同步控制，这个方案与 Java 语言类似；另一种方案支持协程之间以消息传递（Message-Passing）的方式通信，本质上是要避免共享，Golang 的这个方案是基于 CSP（Communicating Sequential Processes）模型实现的。Golang 比较推荐的方案是后者。

什么是 CSP 模型

我们在《42 | Actor 模型：面向对象原生的并发模型》中介绍了 Actor 模型，Actor 模型中 Actor 之间就是不能共享内存的，彼此之间通信只能依靠消息传递的方式。Golang 实现的 CSP 模型和 Actor 模型看上去非常相似，Golang 程序员中有句格言：“不要以共享内存方式通信，要以通信方式共享内存（Don’t communicate by sharing memory, share memory by communicating）。”虽然 Golang 中协程之间，也能够以共享内存的方式通信，但是并不推荐；而推荐的以通信的方式共享内存，实际上指的就是协程之间以消息传递方式来通信。

下面我们先结合一个简单的示例，看看 Golang 中协程之间是如何以消息传递的方式实现通信的。我们示例的目标是打印从 1 累加到 100 亿的结果，如果使用单个协程来计算，大概需要 4 秒多的时间。单个协程，只能用到 CPU 中的一个核，为了提高计算性能，我们可以用多个协程来并行计算，这样就能发挥多核的优势了。

在下面的示例代码中，我们用了 4 个子协程来并行执行，这 4 个子协程分别计算[1, 25 亿]、(25 亿, 50 亿]、(50 亿, 75 亿]、(75 亿, 100 亿]，最后再在主协程中汇总 4 个子协程的计算结果。主协程要汇总 4 个子协程的计算结果，势必要和 4 个子协程之间通信，Golang 中协程之间通信推荐的是使用 channel，channel 你可以形象地理解为现实世界里的管道。另外，calc() 方法的返回值是一个只能接收数据的 channel ch，它创建的子协程会把计算结果发送到这个 ch 中，而主协程也会将这个计算结果通过 ch 读取出来。

import (

“fmt”

“time”

)

func main() {

  1. // 变量声明

var result, i uint64

  1. // 单个协程执行累加操作

start := time.Now()

for i = 1; i <= 10000000000; i++ {

  1. result += i

}

// 统计计算耗时

elapsed := time.Since(start)

fmt.Printf(“执行消耗的时间为:”, elapsed)

fmt.Println(“, result:”, result)

  1. // 4个协程共同执行累加操作

start = time.Now()

ch1 := calc(1, 2500000000)

ch2 := calc(2500000001, 5000000000)

ch3 := calc(5000000001, 7500000000)

ch4 := calc(7500000001, 10000000000)

  1. // 汇总4个协程的累加结果

result = <-ch1 + <-ch2 + <-ch3 + <-ch4

// 统计计算耗时

elapsed = time.Since(start)

fmt.Printf(“执行消耗的时间为:”, elapsed)

fmt.Println(“, result:”, result)

}

// 在协程中异步执行累加操作，累加结果通过channel传递

func calc(from uint64, to uint64) <-chan uint64 {

  1. // channel用于协程间的通信

ch := make(chan uint64)

  1. // 在协程中执行累加操作

go func() {

  1. result := from
  3. for i := from + 1; i <= to; i++ {
  5.   result += i
  7. }
  9.     // 将结果写入channel
  11. ch <- result

}()

  1. // 返回结果是用于通信的channel

return ch

}

CSP 模型与生产者 - 消费者模式

你可以简单地把 Golang 实现的 CSP 模型类比为生产者 - 消费者模式，而 channel 可以类比为生产者 - 消费者模式中的阻塞队列。不过，需要注意的是 Golang 中 channel 的容量可以是 0，容量为 0 的 channel 在 Golang 中被称为无缓冲的 channel，容量大于 0 的则被称为有缓冲的 channel。

无缓冲的 channel 类似于 Java 中提供的 SynchronousQueue，主要用途是在两个协程之间做数据交换。比如上面累加器的示例代码中，calc() 方法内部创建的 channel 就是无缓冲的 channel。

而创建一个有缓冲的 channel 也很简单，在下面的示例代码中，我们创建了一个容量为 4 的 channel，同时创建了 4 个协程作为生产者、4 个协程作为消费者。

// 创建一个容量为4的channel

ch := make(chan int, 4)

// 创建4个协程，作为生产者

for i := 0; i < 4; i++ {

go func() {

  1. ch <- 7

}()

}

// 创建4个协程，作为消费者

for i := 0; i < 4; i++ {

  1. go func() {
  3.   o := <-ch
  5.   fmt.Println("received:", o)
  7. }()

}

Golang 中的 channel 是语言层面支持的，所以可以使用一个左向箭头（<-）来完成向 channel 发送数据和读取数据的任务，使用上还是比较简单的。Golang 中的 channel 是支持双向传输的，所谓双向传输，指的是一个协程既可以通过它发送数据，也可以通过它接收数据。

不仅如此，Golang 中还可以将一个双向的 channel 变成一个单向的 channel，在累加器的例子中，calc() 方法中创建了一个双向 channel，但是返回的就是一个只能接收数据的单向 channel，所以主协程中只能通过它接收数据，而不能通过它发送数据，如果试图通过它发送数据，编译器会提示错误。对比之下，双向变单向的功能，如果以 SDK 方式实现，还是很困难的。

CSP 模型与 Actor 模型的区别

同样是以消息传递的方式来避免共享，那 Golang 实现的 CSP 模型和 Actor 模型有什么区别呢？

第一个最明显的区别就是：Actor 模型中没有 channel。虽然 Actor 模型中的 mailbox 和 channel 非常像，看上去都像个 FIFO 队列，但是区别还是很大的。Actor 模型中的 mailbox 对于程序员来说是“透明”的，mailbox 明确归属于一个特定的 Actor，是 Actor 模型中的内部机制；而且 Actor 之间是可以直接通信的，不需要通信中介。但 CSP 模型中的 channel 就不一样了，它对于程序员来说是“可见”的，是通信的中介，传递的消息都是直接发送到 channel 中的。

第二个区别是：Actor 模型中发送消息是非阻塞的，而 CSP 模型中是阻塞的。Golang 实现的 CSP 模型，channel 是一个阻塞队列，当阻塞队列已满的时候，向 channel 中发送数据，会导致发送消息的协程阻塞。

第三个区别则是关于消息送达的。在《42 | Actor 模型：面向对象原生的并发模型》这篇文章中，我们介绍过 Actor 模型理论上不保证消息百分百送达，而在 Golang 实现的 CSP 模型中，是能保证消息百分百送达的。不过这种百分百送达也是有代价的，那就是有可能会导致死锁。

比如，下面这段代码就存在死锁问题，在主协程中，我们创建了一个无缓冲的 channel ch，然后从 ch 中接收数据，此时主协程阻塞，main() 方法中的主协程阻塞，整个应用就阻塞了。这就是 Golang 中最简单的一种死锁。

func main() {

  1. // 创建一个无缓冲的channel
  3. ch := make(chan int)
  5. // 主协程会阻塞在此处，发生死锁
  7. <- ch

}

总结

Golang 中虽然也支持传统的共享内存的协程间通信方式，但是推荐的还是使用 CSP 模型，以通信的方式共享内存。

Golang 中实现的 CSP 模型功能上还是很丰富的，例如支持 select 语句，select 语句类似于网络编程里的多路复用函数 select()，只要有一个 channel 能够发送成功或者接收到数据就可以跳出阻塞状态。鉴于篇幅原因，我就点到这里，不详细介绍那么多了。

CSP 模型是托尼·霍尔（Tony Hoare）在 1978 年提出的，不过这个模型这些年一直都在发展，其理论远比 Golang 的实现复杂得多，如果你感兴趣，可以参考霍尔写的Communicating Sequential Processes这本电子书。另外，霍尔在并发领域还有一项重要成就，那就是提出了霍尔管程模型，这个你应该很熟悉了，Java 领域解决并发问题的理论基础就是它。

Java 领域可以借助第三方的类库JCSP来支持 CSP 模型，相比 Golang 的实现，JCSP 更接近理论模型，如果你感兴趣，可以下载学习。不过需要注意的是，JCSP 并没有经过广泛的生产环境检验，所以并不建议你在生产环境中使用。

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