Go 并发程序未能充分利用多核 CPU 的原因及解决方案

第一段引用上面的摘要：

本文旨在帮助开发者理解 Go 语言并发编程中，goroutine 无法充分利用多核 CPU 资源的问题。通过分析 GOMAXPROCS 的作用和上下文切换的开销，阐述了并发与并行的区别，并提供了优化 Go 并发程序的建议，以充分发挥多核处理器的性能。

在 Go 语言中，使用 goroutine 可以方便地实现并发编程。然而，有时我们会发现，即使在多核 CPU 的机器上运行 Go 程序，goroutine 似乎并没有并行执行，导致 CPU 利用率不高。这通常是由于对 Go 语言的并发机制理解不够深入造成的。

理解 GOMAXPROCS 的作用

Go 语言的 runtime 包负责管理 goroutine 的调度。默认情况下，Go 程序只会使用一个操作系统线程来执行所有的 goroutine。这意味着即使你的机器有多个 CPU 核心，goroutine 仍然会在同一个核心上分时复用。

要让 Go 程序能够利用多个 CPU 核心，需要设置 GOMAXPROCS 环境变量或使用 runtime.GOMAXPROCS() 函数。GOMAXPROCS 用于指定 Go 程序最多可以同时使用的操作系统线程数。将其设置为大于 1 的值，就可以让 goroutine 在多个核心上并行执行。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func worker(id int) {
    fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Printf("Worker %d done\n", id)
}

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(4) // 设置使用 4 个 CPU 核心

    for i := 1; i <= 3; i++ {
        go worker(i)
    }

    time.Sleep(time.Second * 2) // 等待所有 worker 完成
}

在这个例子中，runtime.GOMAXPROCS(4) 将 Go 程序设置为最多使用 4 个 CPU 核心。因此，三个 worker goroutine 可以并行执行。

并发与并行的区别

需要注意的是，并发 (Concurrency) 和并行 (Parallelism) 是不同的概念。并发是指程序可以在同一时间段内处理多个任务，而并行是指程序可以在同一时刻执行多个任务。

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即使设置了 GOMAXPROCS > 1，也并不意味着所有的 goroutine 都会并行执行。Go 的调度器会根据系统资源和 goroutine 的状态，动态地将 goroutine 分配到不同的操作系统线程上执行。

上下文切换的开销

当多个 goroutine 在同一个操作系统线程上执行时，会发生上下文切换。上下文切换是指操作系统暂停当前正在执行的 goroutine，并切换到另一个 goroutine 执行。

上下文切换会带来一定的开销，包括保存和恢复 CPU 寄存器、更新内存管理信息等。如果 goroutine 频繁地进行上下文切换，就会降低程序的性能。

因此，在设置 GOMAXPROCS 时，需要权衡并行带来的性能提升和上下文切换带来的开销。如果程序中存在大量的 goroutine 之间的通信，增加 GOMAXPROCS 可能会导致性能下降。

优化 Go 并发程序的建议

1. 合理设置 GOMAXPROCS： 根据程序的特点和系统资源，选择合适的 GOMAXPROCS 值。通常情况下，将其设置为 CPU 核心数是一个不错的选择。
2. 减少 goroutine 之间的通信： 尽量减少 goroutine 之间的通信，以降低上下文切换的开销。可以使用无锁数据结构或避免共享状态。
3. 使用缓冲通道： 在 goroutine 之间传递数据时，可以使用缓冲通道，以减少 goroutine 的阻塞。
4. 避免长时间运行的 goroutine： 避免创建长时间运行的 goroutine，以免阻塞其他 goroutine 的执行。可以将长时间运行的任务分解成多个小的任务，并使用 goroutine 池来管理。
5. 使用 profiling 工具： 使用 Go 语言提供的 profiling 工具，可以帮助你分析程序的性能瓶颈，并找出需要优化的部分。

总结

Go 语言的并发机制非常强大，但要充分利用多核 CPU 的资源，需要理解 GOMAXPROCS 的作用、并发与并行的区别以及上下文切换的开销。通过合理设置 GOMAXPROCS、减少 goroutine 之间的通信、使用缓冲通道等方式，可以优化 Go 并发程序的性能，充分发挥多核处理器的优势。

以上就是Go 并发程序未能充分利用多核 CPU 的原因及解决方案的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！