用 Go 語言實戰 Limit Concurrency 方法

最近看到一篇文章討論的非常熱烈，就是『concurrency is still not easy』這篇文章甚至上了 Hack News，大家有興趣可以點進去看看，而本篇會用一個實際案例介紹為什麼作者會說寫 Concurrency 不是這麼容易。大家都知道在 Go 語言內，要寫 Concurrency 只要透過一個關鍵字 go 就可以輕易寫出，而多個 Goroutine 要溝通就是需要透過 Channel 方式，而網路上有一堆 Concurrency Pattern 提供給各位開發者，但是官方 Go 的標準庫內並沒有包含這些 Pattern，所以實作之後，說實在很難看出問題。文章內提到 gops 實作 Limit Concurrency 遇到系統整個 hang 住的問題？什麼是 Limit Concurrency，就是當系統有多個工作需要同時執行，但是需要限制 Concurrency 數量，避免整個資源都被吃光。底下來介紹文章內遇到的問題。

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Limit Concurrency 問題

Gops 是一套 CLI 工具，可以列出系統上正在用 Go 跑的全部 Process。要怎樣複製問題呢？很簡單，先安裝好 gops 指令後，先執行 gops 會看到底下結果

$ gops
98   1    com.docker.vmnetd  go1.13.14 com.docker.vmnetd
2319 2275 gopls              go1.15    /Users/appleboy/go/bin/gopls
4083 452  gops               go1.15    /Users/appleboy/go/bin/gops

接著用底下程式碼繼續將 process 塞滿到 10 個，這時候在執行 gops 會發現系統完全不顯示了，也沒辦法結束。

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func main() {

    timer1 := time.NewTicker(1 * time.Second)

    for v := range timer1.C {
        fmt.Println(v)
    }
}

這問題發生在 8/5 有網友提出了 PR 去限制 Concurrency，這寫法造成了上述出現的問題，導致 CLI 整個無法繼續運作，需要用 ctrl + c 才可以結束執行。底下是修改過後的程式碼:

// FindAll returns all the Go processes currently running on this host.
func FindAll() []P {
    const concurrencyProcesses = 10 // limit the maximum number of concurrent reading process tasks
    pss, err := ps.Processes()
    if err != nil {
        return nil
    }

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(len(pss))
    found := make(chan P)
    limitCh := make(chan struct{}, concurrencyProcesses)

    for _, pr := range pss {
        limitCh <- struct{}{}
        pr := pr
        go func() {
            defer func() { <-limitCh }()
            defer wg.Done()

            path, version, agent, ok, err := isGo(pr)
            if err != nil {
                // TODO(jbd): Return a list of errors.
            }
            if !ok {
                return
            }
            found <- P{
                PID:          pr.Pid(),
                PPID:         pr.PPid(),
                Exec:         pr.Executable(),
                Path:         path,
                BuildVersion: version,
                Agent:        agent,
            }
        }()
    }
    go func() {
        wg.Wait()
        close(found)
    }()
    var results []P
    for p := range found {
        results = append(results, p)
    }
    return results
}

我將上面的例子簡化寫成單一 main 函式來執行，效果是一樣的:

package main

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

func main() {
    const concurrencyProcesses = 10 // limit the maximum number of concurrent reading process tasks
    const jobCount = 100

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(jobCount)
    found := make(chan int)
    limitCh := make(chan struct{}, concurrencyProcesses)

    for i := 0; i < jobCount; i++ {
        limitCh <- struct{}{}
        go func(val int) {
            defer func() {
                wg.Done()
                <-limitCh
            }()
            waitTime := rand.Int31n(1000)
            fmt.Println("job:", val, "wait time:", waitTime, "millisecond")
            time.Sleep(time.Duration(waitTime) * time.Millisecond)
            found <- val
        }(i)
    }
    go func() {
        wg.Wait()
        close(found)
    }()
    var results []int
    for p := range found {
        fmt.Println("Finished job:", p)
        results = append(results, p)
    }

    fmt.Println("result:", results)
}

我把 ps.Processes() 的資料，換成 Job 數量來代表，來解釋為什麼麼這段程式碼造成了系統直接 hang 住不動。重點原因在 for 迴圈內的 limitCh <- struct{}{}，先看到前面有設定了背景一次只能跑 10 個 Concurrency Processes

    for i := 0; i < jobCount; i++ {
        limitCh <- struct{}{}
        go func(val int) {
            ....
        }(i)
    }

這是一個標準的 Limit Concurrency 問題，在讀取第一個 Job 後，先將空 struct 丟入 limitCh 通道，這時候 limitCh 就是剩下 9 個可以繼續處理，接著持續一樣的動作，但是到第 11 個 Job 需要處理時，就會直接停在 limitCh <- struct{}{}，在 for 迴圈後面的程式碼完全沒辦法執行，造成整個系統 deadlock，由此可知道，如果 Process 數量小於 10 的話，幾乎看不出來有任何問題，系統都可以正常運作 (大家可以把範例的 Job Count 換成 10)。下面會介紹兩種方式繞過此問題，大家可以參考看看

將 limitCh <- struct{}{} 丟到背景處理

相信很多開發者可能會想到，既然卡在 limitCh <- struct{}{}，那就將此段程式碼也一樣丟到 goroutine 內處理就可以了。

    found := make(chan int)
    limitCh := make(chan struct{}, concurrencyProcesses)

    for i := 0; i < jobCount; i++ {
        go func() {
            limitCh <- struct{}{}
        }()
        go func(val int) {
            defer func() {
                <-limitCh
                wg.Done()
            }()
            waitTime := rand.Int31n(1000)
            fmt.Println("job:", val, "wait time:", waitTime, "millisecond")
            time.Sleep(time.Duration(waitTime) * time.Millisecond)
            found <- val
        }(i)
    }

很高興可以看到這方式解決掉系統 Hang 住的問題。但是你有沒有發現，程式碼沒辦法限制 Concurrency Processes，而是 100 個 Job 同時處理到結束。雖然這方式可以解決問題，但是回到問題的初衷，我們就是要寫 Limit Concurrency 啊。

使用 worker queue 寫法

這寫法算是蠻常見的，既然要限制背景能同時處理的數量，那相對的就是建立特定數量的 Worker，每個 Worker 內在讀取 Channle 內的資料出來。第一步驟建立 queue 通道，並將所有的內容都丟進 queue 內

    found := make(chan int)
    queue := make(chan int)

    go func(queue chan<- int) {
        for i := 0; i < jobCount; i++ {
            queue <- i
        }
        close(queue)
    }(queue)

這邊一樣是透過 goroutine 方式丟到背景，避免 block 整個 main 程式。接著建立特定的 Worker 數量來消化全部的 Job

    for i := 0; i < concurrencyProcesses; i++ {
        go func(queue <-chan int, found chan<- int) {
            for val := range queue {
                defer wg.Done()
                waitTime := rand.Int31n(1000)
                fmt.Println("job:", val, "wait time:", waitTime, "millisecond")
                time.Sleep(time.Duration(waitTime) * time.Millisecond)
                found <- val
            }
        }(queue, found)
    }

可以看到這邊的 for 迴圈就是以 concurrencyProcesses 為主了，裡面再用 goroutine 方式來讀取 Channel，直到全部的 Channel 都讀取完畢，整個 goroutine 就會結束。除了這解決方式之外，還是有其他方法可以實作，這邊就交由大家去發揮了。

心得

這篇文章為什麼這麼火紅的原因，我猜也因為是該 Repo 是 Google 官方自行開發，但是所有的 PR 都需要經過 Googler 嚴格 Review 過後才可以 Merge 進 Master 分支，但是像這種小細節，如果沒有真的實際測試，真的還蠻難發現問題。