1. 簡介

本文將介紹 Go 語言中的 sync.Cond 并發(fā)原語，包括 sync.Cond的基本使用方法、實現(xiàn)原理、使用注意事項以及常見的使用使用場景。能夠更好地理解和應(yīng)用 Cond 來實現(xiàn) goroutine 之間的同步。

2. 基本使用

2.1 定義

sync.Cond是Go語言標(biāo)準(zhǔn)庫中的一個類型，代表條件變量。條件變量是用于多個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。

2.2 方法說明

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() {}

• NewCond方法： 提供創(chuàng)建Cond實例的方法
• Wait方法: 使當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待其他協(xié)程喚醒
• Singal方法: 喚醒一個等待該條件變量的線程，如果沒有線程在等待，則該方法會立即返回。
• Broadcast方法: 喚醒所有等待該條件變量的線程，如果沒有線程在等待，則該方法會立即返回。

2.3 使用方式

當(dāng)使用sync.Cond時，通常需要以下幾個步驟：

• 定義一個互斥鎖，用于保護(hù)共享數(shù)據(jù)；
• 創(chuàng)建一個sync.Cond對象，關(guān)聯(lián)這個互斥鎖；
• 在需要等待條件變量的地方，獲取這個互斥鎖，并使用Wait方法等待條件變量被通知；
• 在需要通知等待的協(xié)程時，使用Signal或Broadcast方法通知等待的協(xié)程。
• 最后，釋放這個互斥鎖。

2.4 使用例子    

下面是一個使用sync.Cond的簡單示例，實現(xiàn)了一個生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型：

var (
    // 1. 定義一個互斥鎖
    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: 處理了一個任務(wù)\n", id)
        // 5. 最后釋放鎖
        mu.Unlock()
    }
}
func main() {
    // 啟動5個消費(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()
    }
}

在這個示例中，創(chuàng)建一個生產(chǎn)者在生產(chǎn)任務(wù)，同時創(chuàng)建五個消費(fèi)者來消費(fèi)任務(wù)。當(dāng)任務(wù)數(shù)為0時，此時消費(fèi)者會調(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，開始消費(fèi)任務(wù)。這里使用sync.Cond實現(xiàn)多個協(xié)程之間的通信和同步。

2.5 為什么Sync.Cond 需要關(guān)聯(lián)一個鎖，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，有可能會出現(xiàn)競態(tài)條件。

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

如下，假設(shè)調(diào)用Wait方法前沒有加鎖的話，那么所有協(xié)程都會去調(diào)用condition方法去判斷是否滿足條件，然后都通過驗證，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()

此時會出現(xiàn)的情況為，本來是需要在滿足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，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。

正確的用法應(yīng)該是，在調(diào)用Wait方法前便加鎖，那么即使多個協(xié)程被喚醒，一次也只會有一個協(xié)程判斷是否滿足condition條件，然后執(zhí)行后續(xù)操作。這樣子就不會出現(xiàn)多個協(xié)程同時判斷，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()

3.使用場景

3.1 基本說明

sync.Cond是為了協(xié)調(diào)多個協(xié)程之間對共享數(shù)據(jù)的訪問而設(shè)計的。使用sync.Cond的場景通常都涉及到對共享數(shù)據(jù)的操作，如果沒有共享數(shù)據(jù)的操作，那么沒有太大必要使用sync.Cond來進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)然，如果存在重復(fù)喚醒的場景，即使沒有對共享數(shù)據(jù)的操作，也是可以使用sync.Cond來進(jìn)行協(xié)調(diào)的。

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

在這些場景下，使用sync.Cond可以方便地實現(xiàn)對共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)，避免了多個協(xié)程之間的競爭和沖突，保證了共享數(shù)據(jù)的正確性和一致性。因此，如果沒有涉及到共享數(shù)據(jù)的操作，就沒有必要使用sync.Cond來進(jìn)行協(xié)調(diào)。

3.2 場景說明

3.2.1 同步和協(xié)調(diào)多個協(xié)程之間共享資源

下面舉一個使用 sync.Cond 的例子，用它來實現(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。

這里多個協(xié)程對同一份數(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)，來實現(xiàn)多個協(xié)程的同步和協(xié)調(diào)。sync.Cond就適合在這種場景下使用，其正是為這種場景設(shè)計的。

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 := &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()
}

3.2.2 需要重復(fù)喚醒的場景中使用

在某些場景中，由于不滿足某種條件，此時協(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。在整個流程中，可能會多次進(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，會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待下一批任務(wù)的到來。所以這個流程中，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)需要實現(xiàn)重復(fù)喚醒的場景時，使用sync.Cond也是非常合適的。

4. 原理

4.1 基本原理

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

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，此時Wait方法會釋放所持有的鎖，然后將自己放到notifyList等待隊列中等待。此時會將當(dāng)前協(xié)程加入到等待隊列的尾部，然后進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

當(dāng)調(diào)用Signal 時，此時會喚醒等待隊列中的第一個協(xié)程，其他繼續(xù)等待。如果此時沒有處于等待狀態(tài)的協(xié)程，調(diào)用Signal不會有其他作用，直接返回。當(dāng)調(diào)用BoradCast方法時，則會喚醒notfiyList中所有處于等待狀態(tài)的協(xié)程。

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

4.2 實現(xiàn)

 4.2.1 Wait方法實現(xiàn)

Wait方法首先調(diào)用runtime_notifyListAd方法，將自己加入到等待隊列中，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()
}

4.2.2 Singal方法實現(xiàn)

Singal方法調(diào)用runtime_notifyListNotifyOne喚醒等待隊列中的一個協(xié)程。

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

4.2.3 Broadcast方法實現(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() {
   // 喚醒等待隊列中所有的協(xié)程
   runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}

5.使用注意事項

5.1 調(diào)用Wait方法前未加鎖

在上面2.5已經(jīng)說明了，調(diào)用Sync.Cond方法前需要加鎖，否則有可能出現(xiàn)競態(tài)條件。而且，現(xiàn)有的sync.Cond的實現(xiàn)，如果在調(diào)用Wait方法前未加鎖，此時會直接panic，下面是一個簡單例子的說明:

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)，此時滿足執(zhí)行條件，喚醒后將會繼續(xù)往下執(zhí)行。

但是這里在調(diào)用sync.Wait方法前，沒有先獲取鎖，下面是其執(zhí)行結(jié)果，會拋出 fatal error: sync: unlock of unlocked mutex 錯誤，結(jié)果如下:

count = 0
fatal 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，否則會直接拋出異常。

5.2 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，沒有重新檢查條件變量，此時有可能仍然處于不滿足條件變量的場景下。然后直接執(zhí)行后續(xù)操作，有可能會導(dǎo)致程序出錯。下面舉一個簡單的例子:

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()
          // 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，此時進(jìn)入等待狀態(tài)
             if !flag {
                cond.Wait()
             }
             // 被喚醒后，此時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()
}

在這個例子，我們啟動了一個協(xié)程，定時將flag設(shè)置為true，相當(dāng)于每隔一段時間，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。

然后又啟動了兩個協(xié)程，在滿足條件的前提下，開始執(zhí)行后續(xù)操作，但是這里協(xié)程被喚醒后，沒有重新檢查條件變量，具體看第39行。這里會出現(xiàn)的場景是，第一個協(xié)程被喚醒后，此時執(zhí)行后續(xù)操作，然后將flag重新設(shè)置為false，此時已經(jīng)不滿足條件了。之后第二個協(xié)程喚醒后，獲取到鎖，沒有重新檢查此時是否滿足執(zhí)行條件，直接向下執(zhí)行，這個就和我們預(yù)期不符，可能會導(dǎo)致程序出錯，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，此時協(xié)程0執(zhí)行時，flag的值均為false,說明此時其實并不符合執(zhí)行條件，可能會導(dǎo)致程序出錯。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()

6.總結(jié)

本文介紹了 Go 語言中的 sync.Cond 并發(fā)原語，它是用于實現(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 sync.Cond 的使用場景進(jìn)行了說明，如同步和協(xié)調(diào)多個協(xié)程之間共享資源等。

在接下來的部分中，我們介紹了 sync.Cond 的實現(xiàn)原理，主要是對等待隊列的使用，從而sync.Cond有更好的理解，能夠更好得使用它。同時，我們也講述了使用sync.Cond的注意事項，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 sync.Cond 的介紹，希望能夠幫助大家更好地理解和使用Go語言中的并發(fā)原語。

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