目錄高并發(fā)模式初探C語言的高并發(fā)案例Java的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)Go的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)Rust的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)總結(jié)高并發(fā)模式初探

在這個(gè)高并發(fā)時(shí)代最重要的設(shè)計(jì)模式無疑是生產(chǎn)者、消費(fèi)者模式，比如著名的消息隊(duì)列kafka其實(shí)就是一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者模式的典型實(shí)現(xiàn)。其實(shí)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，也就是有限緩沖問題，可以用以下場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，生產(chǎn)者生成一定量的產(chǎn)品放到庫(kù)房，并不斷重復(fù)此過程；與此同時(shí)，消費(fèi)者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)，但由于庫(kù)房大小有限，所以生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間步調(diào)協(xié)調(diào)，生產(chǎn)者不會(huì)在庫(kù)房滿的情況放入端口，消費(fèi)者也不會(huì)在庫(kù)房空時(shí)消耗數(shù)據(jù)。詳見下圖：

而如果在生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間完美協(xié)調(diào)并保持高效，這就是高并發(fā)要解決的本質(zhì)問題。

C語言的高并發(fā)案例

筆者在前文曾經(jīng)介紹過TDEngine的相關(guān)代碼，其中Sheduler模塊的相關(guān)調(diào)度算法就使用了生產(chǎn)、消費(fèi)者模式進(jìn)行消息傳遞功能的實(shí)現(xiàn)，也就是有多個(gè)生產(chǎn)者(producer)生成并不斷向隊(duì)列中傳遞消息，也有多個(gè)消費(fèi)者（consumer）不斷從隊(duì)列中取消息。

后面我們也會(huì)說明類型功能在Go、Java等高級(jí)語言中類似的功能已經(jīng)被封裝好了，但是在C語言中你就必須要用好互斥體（ mutex）和信號(hào)量（semaphore）并協(xié)調(diào)他們之間的關(guān)系。由于C語言的實(shí)現(xiàn)是最復(fù)雜的，先來看結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)和他的注釋：

typedef struct { char label[16];//消息內(nèi)容 sem_t emptySem;//此信號(hào)量代表隊(duì)列的可寫狀態(tài) sem_t fullSem;//此信號(hào)量代表隊(duì)列的可讀狀態(tài) pthread_mutex_t queueMutex;//此互斥體為保證消息不會(huì)被誤修改，保證線程程安全 int fullSlot;//隊(duì)尾位置 int emptySlot;//隊(duì)頭位置 int queueSize;#隊(duì)列長(zhǎng)度 int numOfThreads;//同時(shí)操作的線程數(shù)量 pthread_t * qthread;//線程指針 SSchedMsg * queue;//隊(duì)列指針} SSchedQueue;

再來看Shceduler初始化函數(shù)，這里需要特別說明的是，兩個(gè)信號(hào)量的創(chuàng)建，其中emptySem是隊(duì)列的可寫狀態(tài)，初始化時(shí)其值為queueSize，即初始時(shí)隊(duì)列可寫，可接受消息長(zhǎng)度為隊(duì)列長(zhǎng)度，fullSem是隊(duì)列的可讀狀態(tài)，初始化時(shí)其值為0，即初始時(shí)隊(duì)列不可讀。具體代碼及我的注釋如下：

void *taosInitScheduler(int queueSize, int numOfThreads, char *label) { pthread_attr_t attr; SSchedQueue * pSched = (SSchedQueue *)malloc(sizeof(SSchedQueue)); memset(pSched, 0, sizeof(SSchedQueue)); pSched->queueSize = queueSize; pSched->numOfThreads = numOfThreads; strcpy(pSched->label, label); if (pthread_mutex_init(&pSched->queueMutex, NULL) < 0) { pError('init %s:queueMutex failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); goto _error; } //emptySem是隊(duì)列的可寫狀態(tài)，初始化時(shí)其值為queueSize，即初始時(shí)隊(duì)列可寫，可接受消息長(zhǎng)度為隊(duì)列長(zhǎng)度。 if (sem_init(&pSched->emptySem, 0, (unsigned int)pSched->queueSize) != 0) { pError('init %s:empty semaphore failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); goto _error; } //fullSem是隊(duì)列的可讀狀態(tài)，初始化時(shí)其值為0，即初始時(shí)隊(duì)列不可讀 if (sem_init(&pSched->fullSem, 0, 0) != 0) { pError('init %s:full semaphore failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); goto _error; } if ((pSched->queue = (SSchedMsg *)malloc((size_t)pSched->queueSize * sizeof(SSchedMsg))) == NULL) { pError('%s: no enough memory for queue, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); goto _error; } memset(pSched->queue, 0, (size_t)pSched->queueSize * sizeof(SSchedMsg)); pSched->fullSlot = 0;//實(shí)始化時(shí)隊(duì)列為空，故隊(duì)頭和隊(duì)尾的位置都是0 pSched->emptySlot = 0;//實(shí)始化時(shí)隊(duì)列為空，故隊(duì)頭和隊(duì)尾的位置都是0 pSched->qthread = malloc(sizeof(pthread_t) * (size_t)pSched->numOfThreads); pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE); for (int i = 0; i < pSched->numOfThreads; ++i) { if (pthread_create(pSched->qthread + i, &attr, taosProcessSchedQueue, (void *)pSched) != 0) { pError('%s: failed to create rpc thread, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); goto _error; } } pTrace('%s scheduler is initialized, numOfThreads:%d', pSched->label, pSched->numOfThreads); return (void *)pSched;_error: taosCleanUpScheduler(pSched); return NULL;}

再來看讀消息的taosProcessSchedQueue函數(shù)這其實(shí)是消費(fèi)者一方的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)函數(shù)的主要邏輯是

1.使用無限循環(huán)，只要隊(duì)列可讀即sem_wait(&pSched->fullSem)不再阻塞就繼續(xù)向下處理

2.在操作msg前，加入互斥體防止msg被誤用。

3.讀操作完畢后修改fullSlot的值，注意這為避免fullSlot溢出，需要對(duì)于queueSize取余。同時(shí)退出互斥體。

4.對(duì)emptySem進(jìn)行post操作，即把emptySem的值加1，如emptySem原值為5，讀取一個(gè)消息后，emptySem的值為6，即可寫狀態(tài)，且能接受的消息數(shù)量為6

具體代碼及注釋如下：

void *taosProcessSchedQueue(void *param) { SSchedMsg msg; SSchedQueue *pSched = (SSchedQueue *)param; //注意這里是個(gè)無限循環(huán)，只要隊(duì)列可讀即sem_wait(&pSched->fullSem)不再阻塞就繼續(xù)處理 while (1) { if (sem_wait(&pSched->fullSem) != 0) { pError('wait %s fullSem failed, errno:%d, reason:%s', pSched->label, errno, strerror(errno)); if (errno == EINTR) {/* sem_wait is interrupted by interrupt, ignore and continue */continue; } } //加入互斥體防止msg被誤用。 if (pthread_mutex_lock(&pSched->queueMutex) != 0) pError('lock %s queueMutex failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); msg = pSched->queue[pSched->fullSlot]; memset(pSched->queue + pSched->fullSlot, 0, sizeof(SSchedMsg)); //讀取完畢修改fullSlot的值，注意這為避免fullSlot溢出，需要對(duì)于queueSize取余。 pSched->fullSlot = (pSched->fullSlot + 1) % pSched->queueSize; //讀取完畢修改退出互斥體 if (pthread_mutex_unlock(&pSched->queueMutex) != 0) pError('unlock %s queueMutex failed, reason:%sn', pSched->label, strerror(errno)); //讀取完畢對(duì)emptySem進(jìn)行post操作，即把emptySem的值加1，如emptySem原值為5，讀取一個(gè)消息后，emptySem的值為6，即可寫狀態(tài)，且能接受的消息數(shù)量為6 if (sem_post(&pSched->emptySem) != 0) pError('post %s emptySem failed, reason:%sn', pSched->label, strerror(errno)); if (msg.fp) (*(msg.fp))(&msg); else if (msg.tfp) (*(msg.tfp))(msg.ahandle, msg.thandle); }}

最后寫消息的taosScheduleTask函數(shù)也就是生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，其基本邏輯是

1.寫隊(duì)列前先對(duì)emptySem進(jìn)行減1操作，如emptySem原值為1，那么減1后為0，也就是隊(duì)列已滿，必須在讀取消息后，即emptySem進(jìn)行post操作后，隊(duì)列才能進(jìn)行可寫狀態(tài)。

2.加入互斥體防止msg被誤操作，寫入完成后退出互斥體

3.寫隊(duì)列完成后對(duì)fullSem進(jìn)行加1操作，如fullSem原值為0，那么加1后為1，也就是隊(duì)列可讀，咱們上面介紹的讀取taosProcessSchedQueue中sem_wait(&pSched->fullSem)不再阻塞就繼續(xù)向下。

int taosScheduleTask(void *qhandle, SSchedMsg *pMsg) { SSchedQueue *pSched = (SSchedQueue *)qhandle; if (pSched == NULL) { pError('sched is not ready, msg:%p is dropped', pMsg); return 0; } //在寫隊(duì)列前先對(duì)emptySem進(jìn)行減1操作，如emptySem原值為1，那么減1后為0，也就是隊(duì)列已滿，必須在讀取消息后，即emptySem進(jìn)行post操作后，隊(duì)列才能進(jìn)行可寫狀態(tài)。 if (sem_wait(&pSched->emptySem) != 0) pError('wait %s emptySem failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno));//加入互斥體防止msg被誤操作 if (pthread_mutex_lock(&pSched->queueMutex) != 0) pError('lock %s queueMutex failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); pSched->queue[pSched->emptySlot] = *pMsg; pSched->emptySlot = (pSched->emptySlot + 1) % pSched->queueSize; if (pthread_mutex_unlock(&pSched->queueMutex) != 0) pError('unlock %s queueMutex failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); //在寫隊(duì)列前先對(duì)fullSem進(jìn)行加1操作，如fullSem原值為0，那么加1后為1，也就是隊(duì)列可讀，咱們上面介紹的讀取函數(shù)可以進(jìn)行處理。 if (sem_post(&pSched->fullSem) != 0) pError('post %s fullSem failed, reason:%s', pSched->label, strerror(errno)); return 0;}Java的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)

從并發(fā)模型來看，Go和Rust都有channel這個(gè)概念，也都是通過Channel來實(shí)現(xiàn)線（協(xié)）程間的同步，由于channel帶有讀寫狀態(tài)且保證數(shù)據(jù)順序，而且channel的封裝程度和效率明顯可以做的更高，因此Go和Rust官方都會(huì)建議使用channel（通信）來共享內(nèi)存，而不是使用共享內(nèi)存來通信。

為了讓幫助大家找到區(qū)別，我們先以Java為例來，看一下沒有channel的高級(jí)語言Java，生產(chǎn)者消費(fèi)者該如何實(shí)現(xiàn)，代碼及注釋如下：

public class Storage { // 倉(cāng)庫(kù)最大存儲(chǔ)量 private final int MAX_SIZE = 10; // 倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的載體 private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>(); // 鎖 private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 倉(cāng)庫(kù)滿的信號(hào)量 private final Condition full = lock.newCondition(); // 倉(cāng)庫(kù)空的信號(hào)量 private final Condition empty = lock.newCondition(); public void produce() {// 獲得鎖lock.lock();while (list.size() + 1 > MAX_SIZE) { System.out.println('【生產(chǎn)者' + Thread.currentThread().getName() + '】倉(cāng)庫(kù)已滿'); try {full.await(); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); }}list.add(new Object());System.out.println('【生產(chǎn)者' + Thread.currentThread().getName() + '】生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，現(xiàn)庫(kù)存' + list.size()); empty.signalAll();lock.unlock(); } public void consume() {// 獲得鎖lock.lock();while (list.size() == 0) { System.out.println('【消費(fèi)者' + Thread.currentThread().getName() + '】倉(cāng)庫(kù)為空'); try {empty.await(); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); }}list.remove();System.out.println('【消費(fèi)者' + Thread.currentThread().getName() + '】消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品，現(xiàn)庫(kù)存' + list.size()); full.signalAll();lock.unlock(); }}

在Java、C#這種面向?qū)ο螅菦]有channel語言中，生產(chǎn)者、消費(fèi)者模式至少要借助一個(gè)lock和兩個(gè)信號(hào)量共同完成。其中鎖的作用是保證同是時(shí)間，倉(cāng)庫(kù)中只有一個(gè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改，而還需要表示倉(cāng)庫(kù)滿的信號(hào)量，一旦達(dá)到倉(cāng)庫(kù)滿的情況則將此信號(hào)量置為阻塞狀態(tài)，從而阻止其它生產(chǎn)者再向倉(cāng)庫(kù)運(yùn)商品了，反之倉(cāng)庫(kù)空的信號(hào)量也是一樣，一旦倉(cāng)庫(kù)空了，也要阻其它消費(fèi)者再前來消費(fèi)了。

Go的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)

我們剛剛也介紹過了Go語言中官方推薦使用channel來實(shí)現(xiàn)協(xié)程間通信，所以不需要再添加lock和信號(hào)量就能實(shí)現(xiàn)模式了，以下代碼中我們通過子goroutine完成了生產(chǎn)者的功能，在在另一個(gè)子goroutine中實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)者的功能，注意要阻塞主goroutine以確保子goroutine能夠執(zhí)行，從而輕而易舉的就這完成了生產(chǎn)者消費(fèi)者模式。下面我們就通過具體實(shí)踐中來看一下生產(chǎn)者消費(fèi)者模型的實(shí)現(xiàn)。

package mainimport ('fmt''time')func Product(ch chan<- int) { //生產(chǎn)者for i := 0; i < 3; i++ {fmt.Println('Product produceed', i)ch <- i //由于channel是goroutine安全的,所以此處沒有必要必須加鎖或者加lock操作.}}func Consumer(ch <-chan int) {for i := 0; i < 3; i++ {j := <-ch //由于channel是goroutine安全的,所以此處沒有必要必須加鎖或者加lock操作.fmt.Println('Consmuer consumed ', j)}}func main() {ch := make(chan int)go Product(ch)//注意生產(chǎn)者與消費(fèi)者放在不同goroutine中g(shù)o Consumer(ch)//注意生產(chǎn)者與消費(fèi)者放在不同goroutine中time.Sleep(time.Second * 1)//防止主goroutine退出/*運(yùn)行結(jié)果并不確定，可能為Product produceed 0Product produceed 1Consmuer consumed 0Consmuer consumed 1Product produceed 2Consmuer consumed 2*/}

可以看到和Java比起來使用GO來實(shí)現(xiàn)并發(fā)式的生產(chǎn)者消費(fèi)者模式的確是更為清爽了。

Rust的高并發(fā)實(shí)現(xiàn)

不得不說Rust的難度實(shí)在太高了，雖然筆者之前在匯編、C、Java等方面的經(jīng)驗(yàn)可以幫助我快速掌握Go語言。但是假期看了兩天Rust真想大呼告辭，這尼瑪也太勸退了。在Rust官方提供的功能中，其實(shí)并不包括多生產(chǎn)者、多消費(fèi)者的channel，std:sync空間下只有一個(gè)多生產(chǎn)者單消費(fèi)者（mpsc)的channel。其樣例實(shí)現(xiàn)如下：

use std::sync::mpsc;use std::thread;use std::time::Duration;fn main() { let (tx, rx) = mpsc::channel(); let tx1 = mpsc::Sender::clone(&tx); let tx2 = mpsc::Sender::clone(&tx); thread::spawn(move || {let vals = vec![ String::from('1'), String::from('3'), String::from('5'), String::from('7'),];for val in vals { tx1.send(val).unwrap(); thread::sleep(Duration::from_secs(1));} }); thread::spawn(move || {let vals = vec![ String::from('11'), String::from('13'), String::from('15'), String::from('17'),];for val in vals { tx.send(val).unwrap(); thread::sleep(Duration::from_secs(1));} }); thread::spawn(move || {let vals = vec![ String::from('21'), String::from('23'), String::from('25'), String::from('27'),];for val in vals { tx2.send(val).unwrap(); thread::sleep(Duration::from_secs(1));} }); for rec in rx {println!('Got: {}', rec); }}

可以看到在Rust下實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者是不難的，但是生產(chǎn)者可以clone多個(gè)，不過消費(fèi)者卻只能有一個(gè)，究其原因是因?yàn)镽ust下沒有GC也就是垃圾回收功能，而想保證安全Rust就必須要對(duì)于變更使用權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格管理。在Rust下使用move關(guān)鍵字進(jìn)行變更的所有權(quán)轉(zhuǎn)移，但是按照Rust對(duì)于變更生產(chǎn)周期的管理規(guī)定，線程間權(quán)限轉(zhuǎn)移的所有權(quán)接收者在同一時(shí)間只能有一個(gè)，這也是Rust官方只提供MPSC的原因，

use std::thread;fn main() { let s = 'hello'; let handle = thread::spawn(move || {println!('{}', s); }); handle.join().unwrap();}

當(dāng)然Rust下有一個(gè)API比較貼心就是join，他可以所有子線程都執(zhí)行結(jié)束再退出主線程，這比Go中要手工阻塞還是要有一定的提高。而如果你想用多生產(chǎn)者、多消費(fèi)者的功能，就要入手crossbeam模塊了，這個(gè)模塊掌握起來難度也真的不低。

總結(jié)

通過上面的比較我們可以用一張表格來說明幾種主流語言的情況對(duì)比：

語言 安全性 運(yùn)行速度 進(jìn)程啟動(dòng)速度 學(xué)習(xí)難度 C 低 極快 極快 困難 Java 高 一般 一般 一般 Go 高 較快 較快 一般 Rust 高 極快(基本比肩C） 極快(基本比肩C） 極困難

可以看到Rust以其高安全性、基本比肩C的運(yùn)行及啟動(dòng)速度必將在Serverless的時(shí)代獨(dú)占鰲頭，Go基本也能緊隨其后，而C語言程序中難以避免的野指針，Java相對(duì)較低的運(yùn)行及啟動(dòng)速度，可能都不太適用于函數(shù)式運(yùn)算的場(chǎng)景，Java在企業(yè)級(jí)開發(fā)的時(shí)代打敗各種C#之類的對(duì)手，但是在云時(shí)代好像還真沒有之前統(tǒng)治力那么強(qiáng)了，真可謂是打敗你的往往不是你的對(duì)手，而是其它空間的降維打擊。

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