Go: Processos e Concorrência
Afluentes: Sistemas Distribuídos e Mobile
Concorrência
A linguagem de programação Go trabalha com concorrência usando as gorotines. Elas exencutam funções paralelamente. É mais ou menos o conceito de threads, mas são mais leves, pois o custo da criação de gorotines é menor do que se comparado a uma thread.
- Vantagens das Gorotines
- Mais leves computacionamente, ocupando menos memória na pilha e a pilha pode alterar seu tamanho conforme a necessidade da aplicação. As threads possuem tamanho de pilha fixo;
- As gorotines são multiplexadas para um número menor de threads do Sistema Operacional. Ou seja, pode haver uma única thread no programa com várias gorotines executando. Caso uma thread seja bloqueada por uma goritne, as outras gorotines que estão nela podem ser movidas para outra thread;
- Goroutines se comunicam por meio de
canais, que previnem que race conditions aconteçam ao acessar memória compartilhada.
Para chamar uma função de forma concorrente no Go, basta chamá-la com a palavra chave go na frente:
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5)
6
7func hello() {
8 fmt.Println("Hello world goroutine")
9}
10func main() {
11 go hello()
12 // Vamos dar uma pausa aqui senão o programa pode terminar
13 // antes de executar a gorotine
14 time.Sleep(1 * time.Second)
15 fmt.Println("main function")
16}
Subprocessos
Estou falando em subprocessos, mas estamos implementando gorotines na linguagem go.
Veja que no exemplo, vamos criar uma gorotine que será filha do processo principal. Nas duas execuções, colocamos algumas linhas de execução e um pequeno delay aleatório.
O problema é que caso o programa termine sem ter terminado a gorotine chamada por ele, ela fecha também. Para contornar esse problema, vamos usar um sistema de sincronização via WAIT.
A gente cria uma variável que será um objeto do tipo sync.WaitGroup e para cada gorotine instanciada, a gente faz um incremento no objeto.
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1)
go child(&wg) // child é nossa função para paralelizar
De dentro da função child, que irá executar em paralelo, a gente já de início dá um defer para executar um Done no objeto WaitGroup. Cada done feito no objeto, é decrementado em um uma variável interna que controla a quantidade de gorotines executando.
defer wg.Done()
Não podemos esquecer que vamos ter que passar o objeto do WaitGroup como parâmetro de referência, então nossa função tem que estar preparada pra isso.
func child(wg *sync.WaitGroup) { //...
Ao final do programa principal, a gente usa um WAIT para agardar até que a gorotine tenha terminado.
wg.Wait()
Para só então dar sequência e fechar o programa.
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "math/rand"
6 "sync"
7 "time"
8)
9
10func child(wg *sync.WaitGroup) {
11 defer wg.Done() // decrementa o contador de processo
12 fmt.Println("Luke: Noooooo.....") // imprime na tela
13 for i := 0; i < 5; i++ { // executa o laço 5 vezes
14 fmt.Println("Luke: No!") // imprime n a tela
15 d := rand.Intn(2000) // retorna um número randômico de 0 a 1999
16 time.Sleep(time.Duration(d) * time.Millisecond) // aguarda um tempo
17 }
18 fmt.Println("Luke Skywalker falls.") // imprime na tela
19}
20
21func main() {
22 var wg sync.WaitGroup // wg é tilizado para sincronizar os processos
23 wg.Add(1) // incrementa o contador de processos
24 go child(&wg) // chama a rotina child paralelamente
25 fmt.Println("Vader: Luke! I am your father...") // imprime na tela
26 for i := 0; i < 5; i++ { // executa o laço 5 vezes
27 fmt.Println("Vader: Yes!") // imprime na tela
28 d := rand.Intn(2000) // retorna um número randômico de 0 a 1999
29 time.Sleep(time.Duration(d) * time.Millisecond) // aguarda um tempo
30 }
31 wg.Wait() // aguarda os subprocessos terminarem
32 fmt.Println("Dart Vader leaves.") // imprime na tela
33}
Muitos Filhos
Quando um processo principal (pai) cria vários filhos, pode ser necessário aguardar que todos eles terminem seu processamento. Para isso, usamos uma forma de sincronização para o pai aguardar os filhos fecharem.
O exemplo abaixo cria n filhos e aguarda eles terminarem. Ele utiliza o sync.WaitGroup para sincronizar os processos.
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "math/rand"
6 "sync"
7 "time"
8)
9
10func child(wg *sync.WaitGroup, id int) { // função do filho
11 defer wg.Done() // decrementa o sincronizador
12 for i := 0; i < 5; i++ { // conta até 5
13 fmt.Println("CHILD[", id, "] ", i) // imprime i
14 d := rand.Intn(2000) // pega um valor randômico
15 time.Sleep(time.Duration(d) * time.Millisecond) // pausa um tempo aleatório
16 }
17 fmt.Println("CHILD[", id, "] done...") // imprime a finalização
18}
19
20func main() { // programa principal
21 fmt.Println("START PROGRAM...") // imprime na tela
22 var wg sync.WaitGroup // inicializa o sincronizador
23 for i := 0; i < 5; i++ { // cria 5 filhos
24 wg.Add(1) // adiciona um no sincronizador
25 go child(&wg, i) //cria filho
26 }
27 wg.Wait() // aguarda todos os filhos terminarem
28 fmt.Println("END PROGRAM...") // imprime na tela
29}
Comunicação entre Processos
A comunicação entre processos no go é feito por canais. Eles são comparados aos pipes na linguagem C. Cada canal tem um tipo associado. chan T é um canal do tipo T.
// Canal a do tipo int
a := make(chan int)
Para usar o canal, usamos uma seta direcional
// estamos lendo do canal a e jogando para a variável data
data := <- a
// estamos escrevendo as informações de data para o canal a
a <- data
Envios e recebimentos de informações pelos canais são bloqueantes, ou seja. Quando você envia algo, a função aguarda até que outra gorotine receba o dado. Da mesma forma funciona o envio. Isso também é últim para sincronização de gorotines.
Exemplo de comunicação usando canais
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "time"
6)
7
8func child(fc chan string, cc chan string) {
9 msg := <-cc // aguarda a mensagem do pai
10 fmt.Println("CHILD: Father says " + msg) // imprime na tela
11 time.Sleep(2 * time.Second) // aguarda 2 segundos
12 fmt.Println("CHILD: I will response just ok") // imprime na tela
13 fc <- "ok!" // envia a resposta pelo canal do pai
14}
15
16func main() {
17 fatherChannel := make(chan string) // canal de comunicação do pai
18 childCHannel := make(chan string) // canal de comunicação do filho
19 go child(fatherChannel, childCHannel) // chama a rotina child paralelamente
20 fmt.Println("FATHER: I will say hello to my child") // imprime na tela
21 msg := "hello" // cria a variável msg e atribui a string hello
22 childCHannel <- msg // envia a mensagem hello pelo canal do filho
23 msg = <-fatherChannel // aguarda a resposta do filho
24 fmt.Println("FATHER: I receive " + msg + " from child") // imprime na tela
25}
Canais Unidirecionais
Os canais unidirecionais são apenas para envio ou recebimento. Pode-se converter um bidirecional para unidirecional, mas não o contrário.
sendChannel := make(chan<- string) // canal apenas de envio
func send(ch chan<- string) // diz que o canal é só de envio
Fechando Canais
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5)
6
7func child(c chan int) {
8 defer close(c) // Fecha o canal quando terminar a função
9 for i := 0; i < 3; i++ {
10 c <- i // Envia informações algumas vezes pelo canal
11 }
12}
13func main() {
14 ch := make(chan int)
15 go child(ch)
16 for {
17 res, ok := <-ch // res recebe a resposta e ok se o canal está aberto
18 if ok == false { // Se ok é falso, então o canal foi fechado
19 fmt.Println("Canal fechado", ok)
20 break
21 }
22 fmt.Println("Recebi", res, ok) // Vai imprimindo o que recebe
23 }
24}
Canais com buffer
Os canais com buffer são bloqueados caso a capacidade tenha sido excedida. Por exemplo. Se o seu buffer tem capacidade de 5 inteiros, e você quer enviar 10. Se seu programa não conseguiu fazer qualquer leitura, o próximo envio ficará bloqueado até que libere um espaço.
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "time"
6)
7
8func child(ch chan int) {
9 defer close(ch)
10 // Já vamos tentar enviar 5, mas somente pode ter 2 inteiros no buffer
11 for i := 0; i < 5; i++ {
12 ch <- i // Caso o buffer esteja cheio, essa linha fica bloqueada
13 fmt.Println("enviei", i, "com sucesso para o canal")
14 }
15}
16func main() {
17 // Canal com capacidade de 2 inteiros.
18 ch := make(chan int, 2) //Veja que temos um parâmetro extra
19 go child(ch)
20 time.Sleep(2 * time.Second)
21 for v := range ch {
22 fmt.Println("recebi o valor", v, "do canal")
23 time.Sleep(2 * time.Second)
24
25 }
26}
Usando select nos canais
podemos usar select (sintaxe tipo o switch-case) para múltiplas operações de enviar e receber dados via canais. O select bloqueia até alguma das operações recebeu algo ou enviou (de forma síncrona). Se mais de uma rotina de mensagem terminou, escolhe entre uma aleatoriamente.
Veja que no nosso exemplo vai sempre imprimir apenas o resultado do child2. Isso porque o child1 leva mais tempo para execução e o select pega o primeiro. Daí o programa fecha.
Ok, mas pra que eu usaria isso?
Existem várias situações em que precisamos atividades competitivas, por exemplo testar qual caminho de roteadores até um determinado site está mais rápido. O que retornar primeiro é o escolhido. Ou mesmo imagine que uma tabela de banco de dados está replicada em dois ou mais servidores. Pode-se fazer uma requisição de teste para cada servidor, o que retornar antes será a tabela a ser acessada.
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "time"
6)
7
8func child1(ch chan string) {
9 time.Sleep(6 * time.Second)
10 ch <- "do child1"
11}
12func child2(ch chan string) {
13 time.Sleep(3 * time.Second)
14 ch <- "do child2"
15
16}
17func main() {
18 ch1 := make(chan string)
19 ch2 := make(chan string)
20 go child1(ch1)
21 go child2(ch2)
22 // Podemos usar select
23 select {
24 case s1 := <-ch1:
25 fmt.Println(s1)
26 case s2 := <-ch2:
27 fmt.Println(s2)
28 }
29}
Deadlocks ¯\_(ツ)_/¯
Quando usamos canais, é importante ficarmos atentos para não gerar deadlocks. Se uma gorotine enviar dados para um canal esperando que outra gorotine a receba, mas essa outra rotina não recebe, o programa entrará em estado de deadlock. Veja o exemplo a baixo:
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5)
6
7func child(c chan bool) {
8 a := <-c
9 fmt.Printf("Recebi %t e estou enviando o contrário\n", a)
10 c <- !a
11}
12func main() {
13 ch := make(chan bool)
14 go child(ch)
15 response := <-ch
16 fmt.Printf("Acho que nunca vou receber porque não enviei nada %t\n", response)
17 fmt.Println("main function")
18}
se executarmos o programa, ele vai retornar algo como:
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!
goroutine 1 [chan receive]:
main.main()
/home/saulo/dev/golang/src/aulas.com/distribuidos/deadlock/deadlock.go:15 +0x85
goroutine 6 [chan receive]:
main.hello(0x0)
/home/saulo/dev/golang/src/aulas.com/distribuidos/deadlock/deadlock.go:8 +0x2c
created by main.main
/home/saulo/dev/golang/src/aulas.com/distribuidos/deadlock/deadlock.go:14 +0x6f
exit status 2
Exclusão Múltua - Mutex
Como mecanismo de bloqueio, as gorotines utilizam o Mutex. Ele tenta garantir que apenas uma gorotine esteja executando a região crítica de um código em um dado momento, evitando que outras gorotines também tentem. Isso evita que a race condition ocorra.
Uma gorotine pode bloquear e desbloquear uma região crítica. essa região ficará bloqueada até que ela seja desbloqueada.
- Exemplo
1package main
2
3import (
4 "fmt"
5 "sync"
6)
7
8// x é uma região crítica
9var x = 0
10
11func increment(wg *sync.WaitGroup, m *sync.Mutex) {
12 // Estamos entrando em uma região crítica, então bloqueamos
13 m.Lock()
14 x = x + 1
15 // Ao sair da região crítica desbloqueamos
16 m.Unlock()
17 wg.Done()
18}
19func main() {
20 var w sync.WaitGroup
21 var m sync.Mutex
22 for i := 0; i < 1000; i++ {
23 w.Add(1)
24 go increment(&w, &m)
25 }
26 w.Wait()
27 fmt.Println("Valor final de x", x)
28}
