Goroutine

Goroutines in Go - Comprehensive Guide

1. Goroutines là gì?

• Goroutine là một đơn vị thực thi nhẹ (lightweight thread) được quản lý bởi runtime của Go, không phải hệ điều hành. Goroutines cho phép thực hiện đồng thời (concurrency) nhiều tác vụ trong một chương trình.

• Đặc điểm:

  • Nhẹ: Một goroutine chỉ chiếm vài KB bộ nhớ (so với thread hệ điều hành chiếm MB).

  • Quản lý bởi Go runtime: Go scheduler phân bổ goroutines trên các thread hệ điều hành (OS threads) để tối ưu hóa hiệu năng.

  • Khởi tạo đơn giản: Chỉ cần từ khóa go trước một hàm.

• Goroutines là nền tảng của mô hình concurrency trong Go, kết hợp với channels để đồng bộ và giao tiếp.

Ví dụ cơ bản:

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

func sayHello() {
    fmt.Println("Hello from goroutine")
}

func main() {
    go sayHello() // Chạy sayHello trong goroutine
    time.Sleep(time.Second) // Đợi để goroutine hoàn thành
    fmt.Println("Main done")
}

• Lưu ý: time.Sleep chỉ để minh họa. Trong thực tế, nên dùng cơ chế đồng bộ như channels hoặc sync.WaitGroup.

---

2. Cách hoạt động của Goroutines

• Go Scheduler:

  • Go runtime có một scheduler (dựa trên mô hình M:N) ánh xạ nhiều goroutines (M) lên ít thread hệ điều hành (N).

  • Scheduler sử dụng cơ chế preemptive scheduling (từ Go 1.14) để ngăn goroutines chiếm CPU quá lâu.

  • Các điểm tạm dừng (yield points) bao gồm: gọi hàm, I/O, channel operations, hoặc garbage collection.

• Stack: Mỗi goroutine bắt đầu với stack nhỏ (~2KB) và tự động mở rộng nếu cần (lên đến 1GB).

Ví dụ minh họa scheduler:

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
)

func printNumbers() {
    for i := 1; i <= 5; i++ {
        fmt.Printf("Goroutine %d: %d\n", runtime.NumGoroutine(), i)
        runtime.Gosched() // Nhường CPU (chỉ để minh họa)
    }
}

func main() {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        go printNumbers()
    }
    time.Sleep(time.Second)
}

• Kết quả: Các goroutine chạy xen kẽ do scheduler điều phối.

---

3. Khởi tạo và quản lý Goroutines

3.1. Khởi tạo Goroutine

• Sử dụng từ khóa go trước một hàm hoặc closure:

go func() {
    fmt.Println("Anonymous goroutine")
}()

• Lưu ý: Goroutine chạy ngay lập tức nhưng không đảm bảo thứ tự hoàn thành.

3.2. Đồng bộ Goroutines

Goroutines không tự đợi nhau. Để đồng bộ, sử dụng:

a. sync.WaitGroup

Dùng để đợi một nhóm goroutines hoàn thành.

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    fmt.Printf("Worker %d done\n", id)
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go worker(i, &wg)
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("All workers done")
}

• Mẹo:

  • Gọi wg.Add(1) trước go để tránh race condition.

  • Truyền &wg để chia sẻ WaitGroup.

b. Channels

Channels là cách chính để giao tiếp và đồng bộ giữa goroutines (xem chi tiết ở phần 5).

---

4. Goroutines và Concurrency Patterns

4.1. Worker Pool

Tạo một nhóm goroutines cố định để xử lý công việc từ một kênh.

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func worker(id int, jobs <-chan int, results chan<- int, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    for job := range jobs {
        fmt.Printf("Worker %d processing job %d\n", id, job)
        results <- job * 2
    }
}

func main() {
    const numWorkers = 3
    const numJobs = 10
    jobs := make(chan int, numJobs)
    results := make(chan int, numJobs)
    var wg sync.WaitGroup

    // Khởi động worker pool
    for i := 1; i <= numWorkers; i++ {
        wg.Add(1)
        go worker(i, jobs, results, &wg)
    }

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

    // Đợi và thu thập kết quả
    go func() {
        wg.Wait()
        close(results)
    }()

    for result := range results {
        fmt.Println("Result:", result)
    }
}

• Ưu điểm: Giới hạn số lượng goroutines, tránh tiêu tốn tài nguyên.

4.2. Fan-out/Fan-in

Phân chia công việc cho nhiều goroutines (fan-out) và thu thập kết quả (fan-in).

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func producer(id int, out chan<- int) {
    for i := 0; i < 3; i++ {
        out <- id*10 + i
    }
}

func consumer(in <-chan int, done chan<- struct{}) {
    for n := range in {
        fmt.Println("Consumed:", n)
    }
    done <- struct{}{}
}

func main() {
    out := make(chan int)
    done := make(chan struct{})
    var wg sync.WaitGroup

    // Fan-out: 3 producer
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            producer(id, out)
        }(i)
    }

    // Fan-in: 1 consumer
    go consumer(out, done)

    // Đóng out khi tất cả producer xong
    go func() {
        wg.Wait()
        close(out)
    }()

    <-done // Đợi consumer xong
}

• Ứng dụng: Xử lý song song các tác vụ độc lập (như gọi API, xử lý file).

4.3. Pipeline

Xây dựng một chuỗi xử lý dữ liệu qua nhiều giai đoạn.

package main

import "fmt"

func gen(nums ...int) <-chan int {
    out := make(chan int)
    go func() {
        for _, n := range nums {
            out <- n
        }
        close(out)
    }()
    return out
}

func square(in <-chan int) <-chan int {
    out := make(chan int)
    go func() {
        for n := range in {
            out <- n * n
        }
        close(out)
    }()
    return out
}

func main() {
    in := gen(2, 3, 4)
    out := square(in)
    for n := range out {
        fmt.Println(n) // Output: 4, 9, 16
    }
}

• Ưu điểm: Tăng tính tái sử dụng và dễ mở rộng.

---

5. Channels và Goroutines

• Channels là cơ chế chính để giao tiếp giữa goroutines, đảm bảo an toàn (thread-safe).

• Các loại channel:

  • Unbuffered: Đồng bộ, gửi và nhận phải xảy ra cùng lúc.

  • Buffered: Không đồng bộ, có thể chứa một số lượng giá trị.

Ví dụ unbuffered channel:

package main

import "fmt"

func main() {
    ch := make(chan string)
    go func() {
        ch <- "Hello"
    }()
    fmt.Println(<-ch) // Output: Hello
}

Ví dụ buffered channel:

package main

import "fmt"

func main() {
    ch := make(chan int, 2)
    ch <- 1
    ch <- 2
    fmt.Println(<-ch) // Output: 1
    fmt.Println(<-ch) // Output: 2
}

• Mẹo:

  • Đóng channel (close(ch)) khi không còn dữ liệu để gửi.

  • Kiểm tra channel đóng bằng cú pháp: v, ok := <-ch.

---

6. Error Handling trong Goroutines

• Goroutines chạy độc lập, nên lỗi trong một goroutine không tự động dừng chương trình.

• Cách xử lý lỗi:

  • Truyền lỗi qua channel.

  • Sử dụng panic và recover (hiếm dùng).

Ví dụ xử lý lỗi:

package main

import (
    "errors"
    "fmt"
)

func worker(id int, results chan<- error) {
    if id%2 == 0 {
        results <- errors.New("worker failed")
    } else {
        results <- nil
    }
}

func main() {
    results := make(chan error, 3)
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        go worker(i, results)
    }
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        if err := <-results; err != nil {
            fmt.Println("Error:", err)
        }
    }
}

• Mẹo: Dùng channel để thu thập lỗi từ nhiều goroutines.

---

7. Tối ưu hóa Goroutines

7.1. Giới hạn số lượng Goroutines

• Tạo quá nhiều goroutines có thể tiêu tốn bộ nhớ và CPU.

• Sử dụng worker pool hoặc semaphore để giới hạn.

Ví dụ semaphore:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "golang.org/x/sync/semaphore"
)

func main() {
    var (
        maxWorkers = 2
        sem        = semaphore.NewWeighted(int64(maxWorkers))
        wg         sync.WaitGroup
    )

    for i := 1; i <= 5; i++ {
        wg.Add(1)
        sem.Acquire(context.Background(), 1)
        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            defer sem.Release(1)
            fmt.Printf("Worker %d working\n", id)
            time.Sleep(time.Second)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

7.2. Tránh Goroutine Leak

• Goroutine leak xảy ra khi goroutine không bao giờ kết thúc, gây rò rỉ tài nguyên.

Ví dụ leak:

func leaky() chan int {
    ch := make(chan int)
    go func() {
        <-ch // Chờ mãi nếu không ai gửi
    }()
    return ch
}

Cách sửa:

func safe(ctx context.Context) chan int {
    ch := make(chan int)
    go func() {
        select {
        case <-ch:
        case <-ctx.Done():
        }
    }()
    return ch
}

• Mẹo: Sử dụng context để hủy goroutines khi không cần.

7.3. Tối ưu hiệu năng

• GOMAXPROCS: Điều chỉnh số thread hệ điều hành bằng runtime.GOMAXPROCS(n). Mặc định bằng số CPU core.

• Profile: Dùng pprof để tìm bottleneck trong concurrency.

• Buffered vs Unbuffered: Chọn loại channel phù hợp để giảm blocking.

---

8. Những lỗi thường gặp

1. Data Race:

   • Nhiều goroutines truy cập cùng biến mà không có đồng bộ.

   • Sửa: Dùng mutex hoặc channel.

   • Debug: Chạy với -race (go run -race).

2. Goroutine Leak:

   • Không đóng channel hoặc goroutine chờ mãi.

   • Sửa: Dùng context hoặc đảm bảo channel được đóng.

3. Deadlock:

   • Các goroutines chờ nhau mãi.

   • Sửa: Kiểm tra logic channel và dùng select với default case.

4. Sử dụng time.Sleep để đồng bộ:

   • Không đáng tin cậy.

   • Sửa: Dùng WaitGroup hoặc channel.

---

9. Ứng dụng thực tế

• API Server: Gọi nhiều API song song bằng goroutines.

• Data Processing: Xử lý file lớn hoặc dữ liệu streaming.

• Web Crawler: Thu thập dữ liệu từ nhiều URL đồng thời.

• Real-time Systems: Xử lý websocket, chat, hoặc monitoring.

Ví dụ API song song:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func fetchAPI(id int) string {
    time.Sleep(time.Millisecond * 100)
    return fmt.Sprintf("Result %d", id)
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    results := make([]string, 5)

    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            results[id] = fetchAPI(id)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println(results)
}

---

11. Tài liệu tham khảo

• Go Concurrency Patterns
• Go Spec - Goroutines
• Công cụ: go tool pprof, go run -race.