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Go并發(fā)編程之sync.Once使用實(shí)例詳解

更新時(shí)間：2021年11月05日 09:06:52 作者：深度思維者

sync.Once使用起來很簡單, 下面是一個(gè)簡單的使用案例，本文通過實(shí)例代碼給大家介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友參考下吧

一.序

單從庫名大概就能猜出其作用。sync.Once使用起來很簡單, 下面是一個(gè)簡單的使用案例

package main
 
import (
	"fmt"
	"sync"
)
 
func main() {
	var (
		once sync.Once
		wg   sync.WaitGroup
	)
 
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		// 這里要注意講i顯示的當(dāng)參數(shù)傳入內(nèi)部的匿名函數(shù)
		go func(i int) {
			defer wg.Done()
			// fmt.Println("once", i)
			once.Do(func() {
				fmt.Println("once", i)
			})
		}(i)
	}
 
	wg.Wait()
	fmt.Printf("over")
}

輸出：

❯ go run ./demo.go
once 9

測(cè)試如果不添加once.Do 這段代碼，則會(huì)輸出如下結(jié)果，并且每次執(zhí)行的輸出都不一樣。

once 9
once 0
once 3
once 6
once 4
once 1
once 5
once 2
once 7
once 8

從兩次輸出不同，我們可以得知 sync.Once的作用是：保證傳入的函數(shù)只執(zhí)行一次

二. 源碼分析

2.1結(jié)構(gòu)體

Once的結(jié)構(gòu)體如下

type Once struct {
    done uint32
    m    Mutex
}

每一個(gè) sync.Once 結(jié)構(gòu)體中都只包含一個(gè)用于標(biāo)識(shí)代碼塊是否執(zhí)行過的 done 以及一個(gè)互斥鎖 sync.Mutex

2.2 接口

sync.Once.Do 是 sync.Once 結(jié)構(gòu)體對(duì)外唯一暴露的方法，該方法會(huì)接收一個(gè)入?yún)榭盏暮瘮?shù)：

如果傳入的函數(shù)已經(jīng)執(zhí)行過，會(huì)直接返回
如果傳入的函數(shù)沒有執(zhí)行過，會(huì)調(diào)用sync.Once.doSlow執(zhí)行傳入的參數(shù)

func (o *Once) Do(f func()) {
	// Note: Here is an incorrect implementation of Do:
	//
	//	if atomic.CompareAndSwapUint32(&o.done, 0, 1) {
	//		f()
	//	}
	//
	// Do guarantees that when it returns, f has finished.
	// This implementation would not implement that guarantee:
	// given two simultaneous calls, the winner of the cas would
	// call f, and the second would return immediately, without
	// waiting for the first's call to f to complete.
	// This is why the slow path falls back to a mutex, and why
	// the atomic.StoreUint32 must be delayed until after f returns.
 
	if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
		// Outlined slow-path to allow inlining of the fast-path.
		o.doSlow(f)
	}
}

代碼注釋中特別給了一個(gè)說明: 很容易犯錯(cuò)的一種實(shí)現(xiàn)

if atomic.CompareAndSwapUint32(&o.done, 0, 1) {
	f()
}

如果這么實(shí)現(xiàn)最大的問題是，如果并發(fā)調(diào)用，一個(gè) goroutine 執(zhí)行，另外一個(gè)不會(huì)等正在執(zhí)行的這個(gè)成功之后返回，而是直接就返回了，這就不能保證傳入的方法一定會(huì)先執(zhí)行一次了

正確的實(shí)現(xiàn)方式

if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
    // Outlined slow-path to allow inlining of the fast-path.
    o.doSlow(f)
}

會(huì)先判斷 done 是否為 0，如果不為 0 說明還沒執(zhí)行過，就進(jìn)入 doSlow

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done == 0 {
		defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
		f()
	}
}

在 doSlow 當(dāng)中使用了互斥鎖來保證只會(huì)執(zhí)行一次

具體的邏輯

為當(dāng)前Goroutine獲取互斥鎖
執(zhí)行傳入的無入?yún)⒑瘮?shù)；
運(yùn)行延遲函數(shù)，將成員變量done更新為1

三. 使用場(chǎng)景案例

3.1 單例模式

原子操作配合互斥鎖可以實(shí)現(xiàn)非常高效的單件模式。互斥鎖的代價(jià)比普通整數(shù)的原子讀寫高很多，在性能敏感的地方可以增加一個(gè)數(shù)字型的標(biāo)志位，通過原子檢測(cè)標(biāo)志位狀態(tài)降低互斥鎖的使用次數(shù)來提高性能。

type singleton struct {}
 
var (
    instance    *singleton
    initialized uint32
    mu          sync.Mutex
)
 
func Instance() *singleton {
    if atomic.LoadUint32(&initialized) == 1 {
        return instance
    }
 
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
 
    if instance == nil {
        defer atomic.StoreUint32(&initialized, 1)
        instance = &singleton{}
    }
    return instance
}

而使用sync.Once能更簡單實(shí)現(xiàn)單例模式

type singleton struct {}
 
var (
    instance *singleton
    once     sync.Once
)
 
func Instance() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = &singleton{}
    })
    return instance
}

3.2 加載配置文件示例

延遲一個(gè)開銷很大的初始化操作到真正用到它的時(shí)候再執(zhí)行是一個(gè)很好的實(shí)踐。因?yàn)轭A(yù)先初始化一個(gè)變量（比如在init函數(shù)中完成初始化）會(huì)增加程序的啟動(dòng)耗時(shí)，而且有可能實(shí)際執(zhí)行過程中這個(gè)變量沒有用上，那么這個(gè)初始化操作就不是必須要做的。我們來看一個(gè)例子：

var icons map[string]image.Image
 
func loadIcons() {
    icons = map[string]image.Image{
        "left":  loadIcon("left.png"),
        "up":    loadIcon("up.png"),
        "right": loadIcon("right.png"),
        "down":  loadIcon("down.png"),
    }
}
 
// Icon 被多個(gè)goroutine調(diào)用時(shí)不是并發(fā)安全的
// 因?yàn)閙ap類型本就不是類型安全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
func Icon(name string) image.Image {
    if icons == nil {
        loadIcons()
    }
    return icons[name]
}

多個(gè)goroutine并發(fā)調(diào)用Icon函數(shù)時(shí)不是并發(fā)安全的，編譯器和CPU可能會(huì)在保證每個(gè)goroutine都滿足串行一致的基礎(chǔ)上自由地重排訪問內(nèi)存的順序。loadIcons函數(shù)可能會(huì)被重排為以下結(jié)果：

func loadIcons() {
    icons = make(map[string]image.Image)
    icons["left"] = loadIcon("left.png")
    icons["up"] = loadIcon("up.png")
    icons["right"] = loadIcon("right.png")
    icons["down"] = loadIcon("down.png")
}

在這種情況下就會(huì)出現(xiàn)即使判斷了icons不是nil也不意味著變量初始化完成了。考慮到這種情況，我們能想到的辦法就是添加互斥鎖，保證初始化icons的時(shí)候不會(huì)被其他的goroutine操作，但是這樣做又會(huì)引發(fā)性能問題。

可以使用sync.Once 改造代碼

var icons map[string]image.Image
 
var loadIconsOnce sync.Once
 
func loadIcons() {
    icons = map[string]image.Image{
        "left":  loadIcon("left.png"),
        "up":    loadIcon("up.png"),
        "right": loadIcon("right.png"),
        "down":  loadIcon("down.png"),
    }
}
 
// Icon 是并發(fā)安全的,并且保證了在代碼運(yùn)行的時(shí)候才會(huì)加載配置
func Icon(name string) image.Image {
    loadIconsOnce.Do(loadIcons)
    return icons[name]
}

這樣設(shè)計(jì)就能保證初始化操作的時(shí)候是并發(fā)安全的并且初始化操作也不會(huì)被執(zhí)行多次。

四.總結(jié)

作為用于保證函數(shù)執(zhí)行次數(shù)的 sync.Once 結(jié)構(gòu)體，它使用互斥鎖和 sync/atomic 包提供的方法實(shí)現(xiàn)了某個(gè)函數(shù)在程序運(yùn)行期間只能執(zhí)行一次的語義。在使用該結(jié)構(gòu)體時(shí)，我們也需要注意以下的問題：