本文將介紹 Go 語(yǔ)言中的 sync.Cond 并發(fā)原語(yǔ)，包括 sync.Cond的基本使用方法、實(shí)現(xiàn)原理、使用注意事項(xiàng)以及常見(jiàn)的使用使用場(chǎng)景。能夠更好地理解和應(yīng)用 Cond 來(lái)實(shí)現(xiàn) goroutine 之間的同步。

1. 基本使用

1.1 定義

sync.Cond是Go語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的一個(gè)類型，代表?xiàng)l件變量。條件變量是用于多個(gè)goroutine之間進(jìn)行同步和互斥的一種機(jī)制。sync.Cond可以用于等待和通知goroutine，以便它們可以在特定條件下等待或繼續(xù)執(zhí)行。

(資料圖片僅供參考)

1.2 方法說(shuō)明

sync.Cond的定義如下，提供了Wait,Singal,Broadcast以及NewCond方法

type Cond struct {   noCopy noCopy   // L is held while observing or changing the condition   L Locker   notify  notifyList   checker copyChecker}func NewCond(l Locker) *Cond {}func (c *Cond) Wait() {}func (c *Cond) Signal() {}func (c *Cond) Broadcast() {}

1.3 使用方式

當(dāng)使用sync.Cond時(shí)，通常需要以下幾個(gè)步驟：

1.4 使用例子

下面是一個(gè)使用sync.Cond的簡(jiǎn)單示例，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型：

var (    // 1. 定義一個(gè)互斥鎖    mu    sync.Mutex    cond  *sync.Cond    count int)func init() {    // 2.將互斥鎖和sync.Cond進(jìn)行關(guān)聯(lián)    cond = sync.NewCond(&mu)}func worker(id int) {    // 消費(fèi)者    for {        // 3. 在需要等待的地方,獲取互斥鎖，調(diào)用Wait方法等待被通知        mu.Lock()        // 這里會(huì)不斷循環(huán)判斷 是否有待消費(fèi)的任務(wù)        for count == 0 {            cond.Wait() // 等待任務(wù)        }        count--        fmt.Printf("worker %d: 處理了一個(gè)任務(wù)\n", id)        // 5. 最后釋放鎖        mu.Unlock()    }}func main() {    // 啟動(dòng)5個(gè)消費(fèi)者    for i := 1; i <= 5; i++ {        go worker(i)    }    for {        // 生產(chǎn)者        time.Sleep(1 * time.Second)        mu.Lock()        count++        // 4. 在需要等待的地方,獲取互斥鎖，調(diào)用BroadCast/Singal方法進(jìn)行通知        cond.Broadcast()         mu.Unlock()    }}

在這個(gè)示例中，創(chuàng)建一個(gè)生產(chǎn)者在生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)創(chuàng)建五個(gè)消費(fèi)者來(lái)消費(fèi)任務(wù)。當(dāng)任務(wù)數(shù)為0時(shí)，此時(shí)消費(fèi)者會(huì)調(diào)用Wait方法進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待生產(chǎn)者的通知。

當(dāng)生產(chǎn)者產(chǎn)生任務(wù)后，使用Broadcast方法通知所有的消費(fèi)者，喚醒處于阻塞狀態(tài)的消費(fèi)者，開(kāi)始消費(fèi)任務(wù)。這里使用sync.Cond實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)程之間的通信和同步。

1.5 為什么Sync.Cond 需要關(guān)聯(lián)一個(gè)鎖，然后調(diào)用Wait方法前需要先獲取該鎖

這里的原因在于調(diào)用Wait方法前如果不加鎖，有可能會(huì)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件。

這里假設(shè)多個(gè)協(xié)程都處于等待狀態(tài)，然后一個(gè)協(xié)程調(diào)用了Broadcast喚醒了其中一個(gè)或多個(gè)協(xié)程，此時(shí)這些協(xié)程都會(huì)被喚醒。

如下，假設(shè)調(diào)用Wait方法前沒(méi)有加鎖的話，那么所有協(xié)程都會(huì)去調(diào)用condition方法去判斷是否滿足條件，然后都通過(guò)驗(yàn)證，執(zhí)行后續(xù)操作。

for !condition() {    c.Wait()}c.L.Lock()// 滿足條件情況下,執(zhí)行的邏輯c.L.Unlock()

此時(shí)會(huì)出現(xiàn)的情況為，本來(lái)是需要在滿足condition方法的前提下，才能執(zhí)行的操作?，F(xiàn)在有可能的效果，為前面一部分協(xié)程執(zhí)行時(shí)，還是滿足condition條件的；但是后面的協(xié)程，盡管不滿足condition條件，還是執(zhí)行了后續(xù)操作，可能導(dǎo)致程序出錯(cuò)。

正確的用法應(yīng)該是，在調(diào)用Wait方法前便加鎖，那么即使多個(gè)協(xié)程被喚醒，一次也只會(huì)有一個(gè)協(xié)程判斷是否滿足condition條件，然后執(zhí)行后續(xù)操作。這樣子就不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)協(xié)程同時(shí)判斷，導(dǎo)致不滿足條件，也執(zhí)行后續(xù)操作的情況出現(xiàn)。

c.L.Lock()for !condition() {    c.Wait()}// 滿足條件情況下,執(zhí)行的邏輯c.L.Unlock()

2.使用場(chǎng)景

2.1 基本說(shuō)明

sync.Cond是為了協(xié)調(diào)多個(gè)協(xié)程之間對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)而設(shè)計(jì)的。使用sync.Cond的場(chǎng)景通常都涉及到對(duì)共享數(shù)據(jù)的操作，如果沒(méi)有共享數(shù)據(jù)的操作，那么沒(méi)有太大必要使用sync.Cond來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)然，如果存在重復(fù)喚醒的場(chǎng)景，即使沒(méi)有對(duì)共享數(shù)據(jù)的操作，也是可以使用sync.Cond來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)的。

通常情況下，使用sync.Cond的場(chǎng)景為：多個(gè)協(xié)程需要訪問(wèn)同一份共享數(shù)據(jù)，需要等待某個(gè)條件滿足后才能訪問(wèn)或修改這份共享數(shù)據(jù)。

在這些場(chǎng)景下，使用sync.Cond可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)，避免了多個(gè)協(xié)程之間的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，保證了共享數(shù)據(jù)的正確性和一致性。因此，如果沒(méi)有涉及到共享數(shù)據(jù)的操作，就沒(méi)有必要使用sync.Cond來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2.2 場(chǎng)景說(shuō)明

2.2.1 同步和協(xié)調(diào)多個(gè)協(xié)程之間共享資源

下面舉一個(gè)使用 sync.Cond的例子，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型。生產(chǎn)者往items放置元素，當(dāng)items滿了之后，便進(jìn)入等待狀態(tài)，等待消費(fèi)者喚醒。消費(fèi)者從items中取數(shù)據(jù)，當(dāng)items空了之后，便進(jìn)入等待狀態(tài)，等待生產(chǎn)者喚醒。

這里多個(gè)協(xié)程對(duì)同一份數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，且需要基于該數(shù)據(jù)判斷是否喚醒其他協(xié)程或進(jìn)入阻塞狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)程的同步和協(xié)調(diào)。sync.Cond就適合在這種場(chǎng)景下使用，其正是為這種場(chǎng)景設(shè)計(jì)的。

package mainimport (        "fmt"        "sync"        "time")type Queue struct {        items []int        cap   int        lock  sync.Mutex        cond  *sync.Cond}func NewQueue(cap int) *Queue {        q := &Queue{            items: make([]int, 0),            cap:   cap,        }        q.cond = sync.NewCond(&q.lock)        return q}func (q *Queue) Put(item int) {        q.lock.Lock()        defer q.lock.Unlock()        for len(q.items) == q.cap {                q.cond.Wait()        }        q.items = append(q.items, item)        q.cond.Broadcast()}func (q *Queue) Get() int {        q.lock.Lock()        defer q.lock.Unlock()        for len(q.items) == 0 {            q.cond.Wait()        }        item := q.items[0]        q.items = q.items[1:]        q.cond.Broadcast()        return item}func main() {        q := NewQueue(10)        // Producer        go func() {            for {                q.Put(i)                fmt.Printf("Producer: Put %d\n", i)                time.Sleep(100 * time.Millisecond)            }        }()        // Consumer        go func() {            for {                    item := q.Get()                    fmt.Printf("Consumer: Get %d\n", item)                    time.Sleep(200 * time.Millisecond)            }        }()        wg.Wait()}

2.2.2 需要重復(fù)喚醒的場(chǎng)景中使用

在某些場(chǎng)景中，由于不滿足某種條件，此時(shí)協(xié)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待條件滿足后，由其他協(xié)程喚醒，再繼續(xù)執(zhí)行。在整個(gè)流程中，可能會(huì)多次進(jìn)入阻塞狀態(tài)，多次被喚醒的情況。

比如上面生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型的例子，生產(chǎn)者可能會(huì)產(chǎn)生一批任務(wù)，然后喚醒消費(fèi)者，消費(fèi)者消費(fèi)完之后，會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待下一批任務(wù)的到來(lái)。所以這個(gè)流程中，協(xié)程可能多次進(jìn)入阻塞狀態(tài)，然后再多次被喚醒。

sync.Cond能夠?qū)崿F(xiàn)即使協(xié)程多次進(jìn)入阻塞狀態(tài)，也能重復(fù)喚醒該協(xié)程。所以，當(dāng)出現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)重復(fù)喚醒的場(chǎng)景時(shí)，使用sync.Cond也是非常合適的。

3. 原理

3.1 基本原理

在Sync.Cond存在一個(gè)通知隊(duì)列，保存了所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。通知隊(duì)列定義如下:

type notifyList struct {   wait   uint32   notify uint32   lock   uintptr // key field of the mutex   head   unsafe.Pointer   tail   unsafe.Pointer}

當(dāng)調(diào)用Wait方法時(shí)，此時(shí)Wait方法會(huì)釋放所持有的鎖，然后將自己放到notifyList等待隊(duì)列中等待。此時(shí)會(huì)將當(dāng)前協(xié)程加入到等待隊(duì)列的尾部，然后進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

當(dāng)調(diào)用Signal時(shí)，此時(shí)會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的第一個(gè)協(xié)程，其他繼續(xù)等待。如果此時(shí)沒(méi)有處于等待狀態(tài)的協(xié)程，調(diào)用Signal不會(huì)有其他作用，直接返回。當(dāng)調(diào)用BoradCast方法時(shí)，則會(huì)喚醒notfiyList中所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。

sync.Cond的代碼實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，協(xié)程的喚醒和阻塞已經(jīng)由運(yùn)行時(shí)包實(shí)現(xiàn)了，sync.Cond的實(shí)現(xiàn)直接調(diào)用了運(yùn)行時(shí)包提供的API。

3.2 實(shí)現(xiàn)

3.2.1 Wait方法實(shí)現(xiàn)

Wait方法首先調(diào)用runtime_notifyListAd方法，將自己加入到等待隊(duì)列中，然后釋放鎖，等待其他協(xié)程的喚醒。

func (c *Cond) Wait() {   // 將自己放到等待隊(duì)列中   t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)   // 釋放鎖   c.L.Unlock()   // 等待喚醒   runtime_notifyListWait(&c.notify, t)   // 重新獲取鎖   c.L.Lock()}

3.2.2 Singal方法實(shí)現(xiàn)

Singal方法調(diào)用runtime_notifyListNotifyOne喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)協(xié)程。

func (c *Cond) Signal() {   // 喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)協(xié)程   runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)}

3.2.3 Broadcast方法實(shí)現(xiàn)

Broadcast方法調(diào)用runtime_notifyListNotifyAll喚醒所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。

func (c *Cond) Broadcast() {   // 喚醒等待隊(duì)列中所有的協(xié)程   runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)}

4.使用注意事項(xiàng)

4.1 調(diào)用Wait方法前未加鎖

在上面2.5已經(jīng)說(shuō)明了，調(diào)用Sync.Cond方法前需要加鎖，否則有可能出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件。而且，現(xiàn)有的sync.Cond的實(shí)現(xiàn)，如果在調(diào)用Wait方法前未加鎖，此時(shí)會(huì)直接panic，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單例子的說(shuō)明:

package mainimport (    "fmt"    "sync"    "time")var (   count int   cond  *sync.Cond   lk    sync.Mutex)func main() {    cond = sync.NewCond(&lk)    wg := sync.WaitGroup{}    wg.Add(2)    go func() {       defer wg.Done()       for {          time.Sleep(time.Second)          count++          cond.Broadcast()       }    }()        go func() {       defer wg.Done()       for {          time.Sleep(time.Millisecond * 500)                    //cond.L.Lock()           for count%10 != 0 {               cond.Wait()          }          t.Logf("count = %d", count)          //cond.L.Unlock()         }    }()    wg.Wait()}

上面代碼中，協(xié)程一每隔1s，將count字段的值自增1，然后喚醒所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。協(xié)程二執(zhí)行的條件為count的值為10的倍數(shù)，此時(shí)滿足執(zhí)行條件，喚醒后將會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行。

但是這里在調(diào)用sync.Wait方法前，沒(méi)有先獲取鎖，下面是其執(zhí)行結(jié)果，會(huì)拋出 fatal error: sync: unlock of unlocked mutex 錯(cuò)誤，結(jié)果如下:

count = 0fatal error: sync: unlock of unlocked mutex

因此，在調(diào)用Wait方法前，需要先獲取到與sync.Cond關(guān)聯(lián)的鎖，否則會(huì)直接拋出異常。

4.2 Wait方法接收到通知后，未重新檢查條件變量

調(diào)用sync.Wait方法，協(xié)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)后被喚醒，沒(méi)有重新檢查條件變量，此時(shí)有可能仍然處于不滿足條件變量的場(chǎng)景下。然后直接執(zhí)行后續(xù)操作，有可能會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:

package mainimport (    "fmt"    "sync"    "time")var (   count int   cond  *sync.Cond   lk    sync.Mutex)func main() {    cond = sync.NewCond(&lk)    wg := sync.WaitGroup{}    wg.Add(3)    go func() {       defer wg.Done()       for {          time.Sleep(time.Second)          cond.L.Lock()          // 將flag 設(shè)置為true          flag = true          // 喚醒所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程          cond.Broadcast()          cond.L.Unlock()       }    }()        for i := 0; i < 2; i++ {       go func(i int) {          defer wg.Done()          for {             time.Sleep(time.Millisecond * 500)             cond.L.Lock()             // 不滿足條件，此時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)             if !flag {                cond.Wait()             }             // 被喚醒后，此時(shí)可能仍然不滿足條件             fmt.Printf("協(xié)程 %d flag = %t", i, flag)             flag = false             cond.L.Unlock()          }       }(i)    }    wg.Wait()}

在這個(gè)例子，我們啟動(dòng)了一個(gè)協(xié)程，定時(shí)將flag設(shè)置為true，相當(dāng)于每隔一段時(shí)間，便滿足執(zhí)行條件，然后喚醒所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。

然后又啟動(dòng)了兩個(gè)協(xié)程，在滿足條件的前提下，開(kāi)始執(zhí)行后續(xù)操作，但是這里協(xié)程被喚醒后，沒(méi)有重新檢查條件變量，具體看第39行。這里會(huì)出現(xiàn)的場(chǎng)景是，第一個(gè)協(xié)程被喚醒后，此時(shí)執(zhí)行后續(xù)操作，然后將flag重新設(shè)置為false，此時(shí)已經(jīng)不滿足條件了。之后第二個(gè)協(xié)程喚醒后，獲取到鎖，沒(méi)有重新檢查此時(shí)是否滿足執(zhí)行條件，直接向下執(zhí)行，這個(gè)就和我們預(yù)期不符，可能會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)，代碼執(zhí)行效果如下:

協(xié)程 1 flag = true協(xié)程 0 flag = false協(xié)程 1 flag = true協(xié)程 0 flag = false

可以看到，此時(shí)協(xié)程0執(zhí)行時(shí)，flag的值均為false,說(shuō)明此時(shí)其實(shí)并不符合執(zhí)行條件，可能會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。因此正確用法應(yīng)該像下面這樣子，被喚醒后，需要重新檢查條件變量，滿足條件之后才能繼續(xù)向下執(zhí)行。

c.L.Lock()// 喚醒后,重新檢查條件變量是否滿足條件for !condition() {    c.Wait()}// 滿足條件情況下,執(zhí)行的邏輯c.L.Unlock()

5.總結(jié)

本文介紹了 Go 語(yǔ)言中的 sync.Cond 并發(fā)原語(yǔ)，它是用于實(shí)現(xiàn) goroutine 之間的同步的重要工具。我們首先學(xué)習(xí)了 sync.Cond的基本使用方法，包括創(chuàng)建和使用條件變量、使用Wait和Signal/Broadcast方法等。

接著，我們對(duì) sync.Cond的使用場(chǎng)景進(jìn)行了說(shuō)明，如同步和協(xié)調(diào)多個(gè)協(xié)程之間共享資源等。

在接下來(lái)的部分中，我們介紹了 sync.Cond的實(shí)現(xiàn)原理，主要是對(duì)等待隊(duì)列的使用，從而sync.Cond有更好的理解，能夠更好得使用它。同時(shí)，我們也講述了使用sync.Cond的注意事項(xiàng)，如調(diào)用Wait方法前需要加鎖等。

基于以上內(nèi)容，本文完成了對(duì) sync.Cond的介紹，希望能夠幫助大家更好地理解和使用Go語(yǔ)言中的并發(fā)原語(yǔ)。

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