面试题：Go函数定义在高并发场景下的最佳实践

Question

在高并发场景中，函数定义需要特别注意哪些方面以遵循最佳实践？例如，如何设计函数以避免竞态条件，怎样结合`channel`和`goroutine`在函数内实现高效的并发处理，请详细阐述并给出示例代码。

Answer 1

避免竞态条件

1. 使用互斥锁（Mutex）：
   • 当多个goroutine可能同时访问和修改共享资源时，使用互斥锁来保护共享资源。只有获得锁的goroutine才能访问和修改资源，其他goroutine需要等待锁的释放。
   • 在Go语言中，sync.Mutex提供了这种机制。
2. 使用读写锁（RWMutex）：
   • 如果共享资源主要是读操作，写操作较少，可以使用读写锁。多个goroutine可以同时读共享资源，但写操作时需要独占锁，以保证数据一致性。
   • sync.RWMutex在Go语言中实现了读写锁的功能。
3. 避免共享可变状态：
   • 尽量减少共享可变状态的使用。可以通过将数据复制到每个goroutine本地，避免共享资源带来的竞态问题。

结合channel和goroutine实现高效并发处理

1. 使用channel进行通信：
   • channel是Go语言中用于goroutine之间通信的机制。通过channel，goroutine可以安全地传递数据，而不需要使用锁来保护共享资源。
   • 有两种类型的channel：带缓冲的channel和不带缓冲的channel。不带缓冲的channel在发送和接收操作时会阻塞，直到对应的接收或发送操作准备好。带缓冲的channel可以在缓冲区未满时发送数据而不阻塞。
2. 扇入（Fan - In）和扇出（Fan - Out）模式：
   • 扇出：将一个任务分发到多个goroutine中并行执行。例如，有一个任务列表，将每个任务分配给不同的goroutine去处理。
   • 扇入：将多个goroutine的结果收集到一个channel中。例如，多个goroutine并行计算结果，然后将结果发送到同一个channel，由一个goroutine统一收集处理。

示例代码

1. 使用互斥锁避免竞态条件：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var (
    counter int
    mu      sync.Mutex
)

func increment(wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    mu.Lock()
    counter++
    mu.Unlock()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go increment(&wg)
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("Final counter:", counter)
}

2. 使用channel和goroutine实现并发处理（扇出和扇入）：

package main

import (
    "fmt"
)

func worker(id int, jobs <-chan int, results chan<- int) {
    for j := range jobs {
        fmt.Printf("Worker %d started job %d\n", id, j)
        result := j * 2
        fmt.Printf("Worker %d finished job %d with result %d\n", id, j, result)
        results <- result
    }
}

func main() {
    const numJobs = 5
    jobs := make(chan int, numJobs)
    results := make(chan int, numJobs)

    const numWorkers = 3
    for w := 1; w <= numWorkers; w++ {
        go worker(w, jobs, results)
    }

    for j := 1; j <= numJobs; j++ {
        jobs <- j
    }
    close(jobs)

    for a := 1; a <= numJobs; a++ {
        <-results
    }
    close(results)
}

在上述代码中：

• 第一个示例展示了如何使用互斥锁保护共享变量counter，避免多个goroutine同时修改导致竞态条件。
• 第二个示例展示了如何通过channel实现扇出（将任务分发给多个worker goroutine）和扇入（收集worker goroutine的结果）模式。jobs channel用于向worker发送任务，results channel用于收集worker的计算结果。