Go语言sync.Cond基本使用及原理示例详解

2023-03-20 14:03:02 示例 原理 详解

1. 简介

本文将介绍 Go 语言中的 sync.Cond 并发原语,包括 sync.Cond的基本使用方法、实现原理、使用注意事项以及常见的使用使用场景。能够更好地理解和应用 Cond 来实现 goroutine 之间的同步。

2. 基本使用

2.1 定义

sync.Cond是Go语言标准库中的一个类型,代表条件变量。条件变量是用于多个goroutine之间进行同步和互斥的一种机制。sync.Cond可以用于等待和通知goroutine,以便它们可以在特定条件下等待或继续执行。

2.2 方法说明

sync.Cond的定义如下,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() {}
  • NewCond方法: 提供创建Cond实例的方法
  • Wait方法: 使当前线程进入阻塞状态,等待其他协程唤醒
  • Singal方法: 唤醒一个等待该条件变量的线程,如果没有线程在等待,则该方法会立即返回。
  • Broadcast方法: 唤醒所有等待该条件变量的线程,如果没有线程在等待,则该方法会立即返回。

2.3 使用方式

当使用sync.Cond时,通常需要以下几个步骤:

  • 定义一个互斥锁,用于保护共享数据;
  • 创建一个sync.Cond对象,关联这个互斥锁;
  • 在需要等待条件变量的地方,获取这个互斥锁,并使用Wait方法等待条件变量被通知;
  • 在需要通知等待的协程时,使用SignalBroadcast方法通知等待的协程。
  • 最后,释放这个互斥锁。

2.4 使用例子    

下面是一个使用sync.Cond的简单示例,实现了一个生产者-消费者模型:

var (
    // 1. 定义一个互斥锁
    mu    sync.Mutex
    cond  *sync.Cond
    count int
)
func init() {
    // 2.将互斥锁和sync.Cond进行关联
    cond = sync.NewCond(&mu)
}
func worker(id int) {
    // 消费者
    for {
        // 3. 在需要等待的地方,获取互斥锁,调用Wait方法等待被通知
        mu.Lock()
        // 这里会不断循环判断 是否有待消费的任务
        for count == 0 {
            cond.Wait() // 等待任务
        }
        count--
        fmt.Printf("worker %d: 处理了一个任务\n", id)
        // 5. 最后释放锁
        mu.Unlock()
    }
}
func main() {
    // 启动5个消费者
    for i := 1; i <= 5; i++ {
        go worker(i)
    }
    for {
        // 生产者
        time.Sleep(1 * time.Second)
        mu.Lock()
        count++
        // 4. 在需要等待的地方,获取互斥锁,调用BroadCast/Singal方法进行通知
        cond.Broadcast() 
        mu.Unlock()
    }
}

在这个示例中,创建一个生产者在生产任务,同时创建五个消费者来消费任务。当任务数为0时,此时消费者会调用Wait方法进入阻塞状态,等待生产者的通知。

当生产者产生任务后,使用Broadcast方法通知所有的消费者,唤醒处于阻塞状态的消费者,开始消费任务。这里使用sync.Cond实现多个协程之间的通信和同步。

2.5 为什么Sync.Cond 需要关联一个锁,然后调用Wait方法前需要先获取该锁

这里的原因在于调用Wait方法前如果不加锁,有可能会出现竞态条件。

这里假设多个协程都处于等待状态,然后一个协程调用了Broadcast唤醒了其中一个或多个协程,此时这些协程都会被唤醒。

如下,假设调用Wait方法前没有加锁的话,那么所有协程都会去调用condition方法去判断是否满足条件,然后都通过验证,执行后续操作。

for !condition() {
    c.Wait()
}
c.L.Lock()
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()

此时会出现的情况为,本来是需要在满足condition方法的前提下,才能执行的操作。现在有可能的效果,为前面一部分协程执行时,还是满足condition条件的;但是后面的协程,尽管不满足condition条件,还是执行了后续操作,可能导致程序出错。

正确的用法应该是,在调用Wait方法前便加锁,那么即使多个协程被唤醒,一次也只会有一个协程判断是否满足condition条件,然后执行后续操作。这样子就不会出现多个协程同时判断,导致不满足条件,也执行后续操作的情况出现。

c.L.Lock()
for !condition() {
    c.Wait()
}
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()

3.使用场景

3.1 基本说明

sync.Cond是为了协调多个协程之间对共享数据的访问而设计的。使用sync.Cond的场景通常都涉及到对共享数据的操作,如果没有共享数据的操作,那么没有太大必要使用sync.Cond来进行协调。当然,如果存在重复唤醒的场景,即使没有对共享数据的操作,也是可以使用sync.Cond来进行协调的。

通常情况下,使用sync.Cond的场景为:多个协程需要访问同一份共享数据,需要等待某个条件满足后才能访问或修改这份共享数据。

在这些场景下,使用sync.Cond可以方便地实现对共享数据的协调,避免了多个协程之间的竞争和冲突,保证了共享数据的正确性和一致性。因此,如果没有涉及到共享数据的操作,就没有必要使用sync.Cond来进行协调。

3.2 场景说明

3.2.1 同步和协调多个协程之间共享资源

下面举一个使用 sync.Cond 的例子,用它来实现生产者-消费者模型。生产者往items放置元素,当items满了之后,便进入等待状态,等待消费者唤醒。消费者从items中取数据,当items空了之后,便进入等待状态,等待生产者唤醒。

这里多个协程对同一份数据进行操作,且需要基于该数据判断是否唤醒其他协程或进入阻塞状态,来实现多个协程的同步和协调。sync.Cond就适合在这种场景下使用,其正是为这种场景设计的。

package main
import (
        "fmt"
        "sync"
        "time"
)
type Queue struct {
        items []int
        cap   int
        lock  sync.Mutex
        cond  *sync.Cond
}
func NewQueue(cap int) *Queue {
        q := &amp;Queue{
            items: make([]int, 0),
            cap:   cap,
        }
        q.cond = sync.NewCond(&amp;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()
}

3.2.2 需要重复唤醒的场景中使用

在某些场景中,由于不满足某种条件,此时协程进入阻塞状态,等待条件满足后,由其他协程唤醒,再继续执行。在整个流程中,可能会多次进入阻塞状态,多次被唤醒的情况。

比如上面生产者和消费者模型的例子,生产者可能会产生一批任务,然后唤醒消费者,消费者消费完之后,会进入阻塞状态,等待下一批任务的到来。所以这个流程中,协程可能多次进入阻塞状态,然后再多次被唤醒。

sync.Cond能够实现即使协程多次进入阻塞状态,也能重复唤醒该协程。所以,当出现需要实现重复唤醒的场景时,使用sync.Cond也是非常合适的。

4. 原理

4.1 基本原理

Sync.Cond存在一个通知队列,保存了所有处于等待状态的协程。通知队列定义如下:

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

当调用Wait方法时,此时Wait方法会释放所持有的锁,然后将自己放到notifyList等待队列中等待。此时会将当前协程加入到等待队列的尾部,然后进入阻塞状态。

当调用Signal 时,此时会唤醒等待队列中的第一个协程,其他继续等待。如果此时没有处于等待状态的协程,调用Signal不会有其他作用,直接返回。当调用BoradCast方法时,则会唤醒notfiyList中所有处于等待状态的协程。

sync.Cond的代码实现比较简单,协程的唤醒和阻塞已经由运行时包实现了,sync.Cond的实现直接调用了运行时包提供的api

4.2 实现

 4.2.1 Wait方法实现

Wait方法首先调用runtime_notifyListAd方法,将自己加入到等待队列中,然后释放锁,等待其他协程的唤醒。

func (c *Cond) Wait() {
   // 将自己放到等待队列中
   t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)
   // 释放锁
   c.L.Unlock()
   // 等待唤醒
   runtime_notifyListWait(&c.notify, t)
   // 重新获取锁
   c.L.Lock()
}

4.2.2 Singal方法实现

Singal方法调用runtime_notifyListNotifyOne唤醒等待队列中的一个协程。

func (c *Cond) Signal() {
   // 唤醒等待队列中的一个协程
   runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}

4.2.3 Broadcast方法实现

Broadcast方法调用runtime_notifyListNotifyAll唤醒所有处于等待状态的协程。

func (c *Cond) Broadcast() {
   // 唤醒等待队列中所有的协程
   runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}

5.使用注意事项

5.1 调用Wait方法前未加锁

在上面2.5已经说明了,调用Sync.Cond方法前需要加锁,否则有可能出现竞态条件。而且,现有的sync.Cond的实现,如果在调用Wait方法前未加锁,此时会直接panic,下面是一个简单例子的说明:

package main
import (
    "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()
}

上面代码中,协程一每隔1s,将count字段的值自增1,然后唤醒所有处于等待状态的协程。协程二执行的条件为count的值为10的倍数,此时满足执行条件,唤醒后将会继续往下执行。

但是这里在调用sync.Wait方法前,没有先获取锁,下面是其执行结果,会抛出 fatal error: sync: unlock of unlocked mutex 错误,结果如下:

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

因此,在调用Wait方法前,需要先获取到与sync.Cond关联的锁,否则会直接抛出异常。

5.2 Wait方法接收到通知后,未重新检查条件变量

调用sync.Wait方法,协程进入阻塞状态后被唤醒,没有重新检查条件变量,此时有可能仍然处于不满足条件变量的场景下。然后直接执行后续操作,有可能会导致程序出错。下面举一个简单的例子:

package main
import (
    "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()
          // 将flag 设置为true
          flag = true
          // 唤醒所有处于等待状态的协程
          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()
             // 不满足条件,此时进入等待状态
             if !flag {
                cond.Wait()
             }
             // 被唤醒后,此时可能仍然不满足条件
             fmt.Printf("协程 %d flag = %t", i, flag)
             flag = false
             cond.L.Unlock()
          }
       }(i)
    }
    wg.Wait()
}

在这个例子,我们启动了一个协程,定时将flag设置为true,相当于每隔一段时间,便满足执行条件,然后唤醒所有处于等待状态的协程。

然后又启动了两个协程,在满足条件的前提下,开始执行后续操作,但是这里协程被唤醒后,没有重新检查条件变量,具体看第39行。这里会出现的场景是,第一个协程被唤醒后,此时执行后续操作,然后将flag重新设置为false,此时已经不满足条件了。之后第二个协程唤醒后,获取到锁,没有重新检查此时是否满足执行条件,直接向下执行,这个就和我们预期不符,可能会导致程序出错,代码执行效果如下:

协程 1 flag = true
协程 0 flag = false
协程 1 flag = true
协程 0 flag = false

可以看到,此时协程0执行时,flag的值均为false,说明此时其实并不符合执行条件,可能会导致程序出错。因此正确用法应该像下面这样子,被唤醒后,需要重新检查条件变量,满足条件之后才能继续向下执行。

c.L.Lock()
// 唤醒后,重新检查条件变量是否满足条件
for !condition() {
    c.Wait()
}
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()

6.总结

本文介绍了 Go 语言中的 sync.Cond 并发原语,它是用于实现 goroutine 之间的同步的重要工具。我们首先学习sync.Cond 的基本使用方法,包括创建和使用条件变量、使用WaitSignal/Broadcast方法等。

接着,我们对 sync.Cond 的使用场景进行了说明,如同步和协调多个协程之间共享资源等。

在接下来的部分中,我们介绍了 sync.Cond 的实现原理,主要是对等待队列的使用,从而sync.Cond有更好的理解,能够更好得使用它。同时,我们也讲述了使用sync.Cond的注意事项,如调用Wait方法前需要加锁等。

基于以上内容,本文完成了对 sync.Cond 的介绍,希望能够帮助大家更好地理解和使用Go语言中的并发原语。

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