协程、延迟函数调用、以及恐慌和恢复

现代CPU一般含有多个核，并且一个核可能支持多线程。换句话说，现代CPU可以同时执行多条指令流水线。 为了将CPU的能力发挥到极致，我们常常需要使我们的程序支持并发（concurrent）计算。

并发计算是指若干计算可能在某些时间片段内同时运行的情形。 下面这两张图描绘了两种并发计算的场景。在此图中，A和B表示两个计算。 在第一种情形中，两个计算只在某些时间片段同时运行。 第二种情形称为并行（parallel）计算。在并行计算中，多个计算在任何时间点都在同时运行。并行计算属于特殊的并发计算。

并发计算可能发生在同一个程序中、同一台电脑上、或者同一个网络中。 在《Go语言101》中，我们只谈及发生在同一个程序中的并发计算。 在Go编程中，协程是创建计算的唯一途径。

协程有时也被称为绿色线程。绿色线程是由程序的运行时（runtime）维护的线程。一个绿色线程的开销（比如内存消耗和情景转换）比一个系统线程常常小得多。 只要内存充足，一个程序可以轻松支持上万个并发协程。

Go不支持创建系统线程，所以协程是一个Go程序内部唯一的并发实现方式。

每个Go程序启动的时候只有一个对用户可见的协程，我们称之为主协程。 一个协程可以开启更多其它新的协程。在Go中，开启一个新的协程是非常简单的。 我们只需在一个函数调用之前使用一个go关键字，即可让此函数调用运行在一个新的协程之中。 当此函数调用退出后，这个新的协程也随之结束了。我们可以称此函数调用为一个协程调用（或者为此协程的启动调用）。 一个协程调用的所有返回值（如果存在的话）必须被全被舍弃。

在下面的例子程序中，主协程创建了两个新的协程。在此例中，time.Duration是一个在time标准库包中定义的类型。
此类型的底层类型为内置类型int64。
底层类型这个概念将在下一篇文章中介绍。

package main

import (
    "log"
    "math/rand"
    "time"
)

func SayGreetings(greeting string, times int) {
    for i := 0; i < times; i++ {
        log.Println(greeting)
        d := time.Second * time.Duration(rand.Intn(5)) / 2
        time.Sleep(d) // 睡眠片刻（随机0到2.5秒）
    }
}

func main() {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    log.SetFlags(0)
    go SayGreetings("hi!", 10)
    go SayGreetings("hello!", 10)
    time.Sleep(2 * time.Second)
}

非常简单！我们编写了一个并发程序！
此程序在运行的时候在某一时刻将很可能会有三个协程并存。
运行之，可能会得到如下的结果（也可能是其它结果）：

hi!
hello!
hello!
hello!
hello!
hi!

当一个程序的主协程退出后，此程序也就退出了，即使还有一些其它协程在运行。

和前面的几篇文章不同，上面的例子程序使用了log标准库而不是fmt标准库中的Println函数。 原因是log标准库中的打印函数是经过了同步处理的（下一节将解释什么是并发同步），而fmt标准库中的打印函数却没有被同步。 如果我们在上例中使用fmt标准库中的Println函数，则不同协程的打印可能会交织在一起。（虽然对此例来说，交织的概率很低。）

不同的并发计算可能共享一些资源，其中共享内存资源最为常见。
在一个并发程序中，常常会发生下面的情形：

• 在一个计算向一段内存写数据的时候，另一个计算从此内存段读数据，结果导致读出的数据的完整性得不到保证。
• 在一个计算向一段内存写数据的时候，另一个计算也向此段内存写数据，结果导致被写入的数据的完整性得不到保证。

这些情形被称为数据竞争（data race）。并发编程的一大任务就是要调度不同计算，控制它们对资源的访问时段，以使数据竞争的情况不会发生。 此任务常称为并发同步（或者数据同步）。Go支持几种并发同步技术，这些并发同步技术将在后面的章节中逐一介绍。

并发编程中的其它任务包括：

• 决定需要开启多少计算；
• 决定何时开启、阻塞、解除阻塞和结束哪些计算；
• 决定如何在不同的计算中分担工作负载。

上一节中这个并发程序是有缺陷的。我们本期望每个新创建的协程打印出10条问候语，但是主协程（和程序）在这20条问候语还未都打印出来的时候就退出了。 如何确保主协程在这20条问候语都打印完毕之后才退出呢？我们必须使用某种并发同步技术来达成这一目标。

Go支持几种并发同步技术。 其中， 通道是最独特和最常用的。 但是，为了简单起见，这里我们将使用sync标准库包中的WaitGroup来同步上面这个程序中的主协程和两个新创建的协程。

WaitGroup类型有三个方法（特殊的函数，将在以后的文章中详解）：Add、Done和Wait。
此类型将在后面的某篇文章中详细解释，目前我们可以简单地认为：

• Add方法用来注册新的需要完成的任务数。
• Done方法用来通知某个任务已经完成了。
• 一个Wait方法调用将阻塞（等待）到所有任务都已经完成之后才继续执行其后的语句。

示例：

package main

import (
    "log"
    "math/rand"
    "time"
    "sync"
)

var wg sync.WaitGroup

func SayGreetings(greeting string, times int) {
    for i := 0; i < times; i++ {
        log.Println(greeting)
        d := time.Second * time.Duration(rand.Intn(5)) / 2
        time.Sleep(d)
    }
    wg.Done() // 通知当前任务已经完成。
}

func main() {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    log.SetFlags(0)
    wg.Add(2) // 注册两个新任务。
    go SayGreetings("hi!", 10)
    go SayGreetings("hello!", 10)
    wg.Wait() // 阻塞在这里，直到所有任务都已完成。
}

运行这个修改后的程序，我们将会发现所有的20条问候语都将在程序退出之前打印出来。

从上面这个的例子，我们可以看到一个活动中的协程可以处于两个状态：运行状态和阻塞状态。一个协程可以在这两个状态之间切换。 比如上例中的主协程在调用wg.Wait方法的时候，将从运行状态切换到阻塞状态；当两个新协程完成各自的任务后，主协程将从阻塞状态切换回运行状态。

下面的图片显示了一个协程的生命周期。

注意，一个处于睡眠中的（通过调用time.Sleep）或者在等待系统调用返回的协程被认为是处于运行状态，而不是阻塞状态。

当一个新协程被创建的时候，它将自动进入运行状态，一个协程只能从运行状态而不能从阻塞状态退出。 如果因为某种原因而导致某个协程一直处于阻塞状态，则此协程将永远不会退出。 除了极个别的应用场景，在编程时我们应该尽量避免出现这样的情形。

一个处于阻塞状态的协程不会自发结束阻塞状态，它必须被另外一个协程通过某种并发同步方法来被动地结束阻塞状态。 如果一个运行中的程序当前所有的协程都出于阻塞状态，则这些协程将永远阻塞下去，程序将被视为死锁了。 当一个程序死锁后，官方标准编译器的处理是让这个程序崩溃。

比如下面这个程序将在运行两秒钟后崩溃。

package main

import (
    "sync"
    "time"
)

var wg sync.WaitGroup

func main() {
    wg.Add(1)
    go func() {
        time.Sleep(time.Second * 2)
        wg.Wait() // 阻塞在此
    }()
    wg.Wait() // 阻塞在此
}

它的输出：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

...

以后我们将学习到更多可以让一个协程进入到阻塞状态的操作。

在Go中，一个函数调用可以跟在一个defer关键字后面，形成一个延迟函数调用。 和协程调用类似，被延迟的函数调用的所有返回值必须全部被舍弃。

当一个函数调用被延迟后，它不会立即被执行。它将被推入由当前协程维护的一个延迟调用堆栈。 当一个函数调用（可能是也可能不是一个延迟调用）返回并进入它的退出阶段后，所有在此函数调用中已经被推入的延迟调用将被按照它们被推入堆栈的顺序逆序执行。 当所有这些延迟调用执行完毕后，此函数调用也就真正退出了。

下面这个例子展示了如何使用延迟调用函数。

package main

import "fmt"

func main() {
    defer fmt.Println("The third line.")
    defer fmt.Println("The second line.")
    fmt.Println("The first line.")
}

输出结果：

The first line.
The second line.
The third line.

事实上，每个协程维护着两个调用堆栈。

• 一个是正常的函数调用堆栈。在此堆栈中，相邻的两个调用存在着调用关系。晚进入堆栈的调用被早进入堆栈的调用所调用。 此堆栈中最早被推入的调用是对应协程的启动调用。
• 另一个堆栈是上面提到的延迟调用堆栈。处于延迟调用堆栈中的任意两个调用之间不存在调用关系。

下面是另一个略微复杂一点的使用了延迟调用的例子程序。此程序将按照自然数的顺序打印出0到9十个数字。

package main

import "fmt"

func main() {
    defer fmt.Println("9")
    fmt.Println("0")
    defer fmt.Println("8")
    fmt.Println("1")
    if false {
        defer fmt.Println("not reachable")
    }
    defer func() {
        defer fmt.Println("7")
        fmt.Println("3")
        defer func() {
            fmt.Println("5")
            fmt.Println("6")
        }()
        fmt.Println("4")
    }()
    fmt.Println("2")
    return
    defer fmt.Println("not reachable")
}

package main

import “fmt”
func Triple(n int) (r int) {
    defer func() {
        r += n // 修改返回值
    }()
return n + n // <=> r = n + n; return
}
func main() {
    fmt.Println(Triple(5)) // 15
}

• 对于一个延迟函数调用，它的实参是在此调用被推入延迟调用堆栈的时候被估值的。
• 对于一个协程调用，它的实参是在此协程被创建的时候估值的。

一个匿名函数体内的表达式是在此函数被执行的时候才会被逐个估值的，不管此函数是被普通调用还是延迟/协程调用。

一个例子：

package main

import "fmt"

func main() {
    func() {
        for i := 0; i < 3; i++ {
            defer fmt.Println("a:", i)
        }
    }()
    fmt.Println()
    func() {
        for i := 0; i < 3; i++ {
            defer func() {
                fmt.Println("b:", i)
            }()
        }
    }()
}

运行之，将得到如下结果：

a: 2
a: 1
a: 0

b: 3
b: 3
b: 3

第一个匿名函数中的循环打印出2、1和0这个序列，但是第二个匿名函数中的循环打印出三个3。 因为第一个循环中的i是在fmt.Println函数调用被推入延迟调用堆栈的时候估的值，而第二个循环中的i是在第二个匿名函数调用的退出阶段估的值（此时循环变量i的值已经变为3）。

我们可以对第二个循环略加修改（使用两种方法），使得它和第一个循环打印出相同的结果。

        for i := 0; i < 3; i++ {
            defer func(i int) {
                // 此i为形参i，非实参循环变量i。
                fmt.Println("b:", i)
            }(i)
        }

或者

        for i := 0; i < 3; i++ {
            i := i // 在下面的调用中，左i遮挡了右i。
                   // <=> var i = i
            defer func() {
                // 此i为上面的左i，非循环变量i。
                fmt.Println("b:", i)
            }()
        }

同样的估值时刻规则也适用于协程调用。下面这个例子程序将打印出123 789。

package main

import "fmt"
import "time"

func main() {
    var a = 123
    go func(x int) {
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println(x, a) // 123 789
    }(a)

    a = 789

    time.Sleep(2 * time.Second)
}

顺便说一句，使用time.Sleep调用来做并发同步不是一个好的方法。 如果上面这个程序运行在一个满负荷运行的电脑上，此程序可能在新启动的协程可能还未得到执行机会的时候就已经退出了。 在正式的项目中，我们应该使用并发同步技术一文中列出的方法来实现并发同步。