前言

哈喽，大家好，我是​​asong​​​，这是我并发编程系列的第三篇文章，这一篇我们一起来看看​​sync.Cond​​​的使用与实现。之前写过​​java​​​的朋友对等待/通知(wait/notify)机制一定很熟悉，可以利用等待/通知机制实现阻塞或者唤醒，在​​Go​​​语言使用​​Cond​​也可以达到同样的效果，接下来我们一起来看看它的使用与实现。

​​sync.Cond​​的基本使用

​​Go​​​标准库提供了​​Cond​​​原语，为等待/通知场景下的并发问题提供支持。​​Cond​​​他可以让一组的​​Goroutine​​​都在满足特定条件(这个等待条件有很多，可以是某个时间点或者某个变量或一组变量达到了某个阈值，还可以是某个对象的状态满足了特定的条件)时被唤醒，​​Cond​​​是和某个条件相关，这个条件需要一组​​goroutine​​​协作共同完成，在条件还没有满足的时候，所有等待这个条件的​​goroutine​​​都会被阻塞住，只有这一组​​goroutine​​​通过协作达到了这个条件，等待的​​goroutine​​才可以继续进行下去。

先看这样一个例子：

var (
 done = false
 topic = "Golang梦工厂"
)

func main() {
 cond := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
 go Consumer(topic,cond)
 go Consumer(topic,cond)
 go Consumer(topic,cond)
 Push(topic,cond)
 time.Sleep(5 * time.Second)

}

func Consumer(topic string,cond *sync.Cond)  {
 cond.L.Lock()
 for !done{
  cond.Wait()
 }
 fmt.Println("topic is ",topic," starts Consumer")
 cond.L.Unlock()
}

func Push(topic string,cond *sync.Cond)  {
 fmt.Println(topic,"starts Push")
 cond.L.Lock()
 done = true
 cond.L.Unlock()
 fmt.Println("topic is ",topic," wakes all")
 cond.Broadcast()
}
// 运行结果
Golang梦工厂 starts Push
topic is  Golang梦工厂  wakes all
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer

上述代码我们运行了​​4​​​个​​Goroutine​​​，其中三个​​Goroutine​​​分别做了相同的事情，通过调用​​cond.Wait()​​​等特定条件的满足，1个​​Goroutine​​​会调用​​cond.Broadcast​​​唤醒所用陷入等待的​​Goroutine​​。画个图看一下更清晰：

源码剖析sync.cond(条件变量的实现机制）_并发编程

我们看上面这一段代码，​​Cond​​​使用起来并不简单，使用不当就出现不可避免的问题，所以，有的开发者会认为，​​Cond​​​是唯一难以掌握的​​Go​​​并发原语。为了让大家能更好的理解​​Cond​​​，接下来我们一起看看​​Cond​​的实现原理。

​​Cond​​实现原理

​​Cond​​​的实现还是比较简单的，代码量比较少，复杂的逻辑已经被​​Locker​​​或者​​runtime​​的等待队列实现了，所以我们来看这些源代码也会轻松一些。首先我们来看一下它的结构体：

type Cond struct {
 noCopy noCopy

 // L is held while observing or changing the condition
 L Locker

 notify  notifyList
 checker copyChecker
}

主要有​​4​​个字段：

  • ​​nocopy​​​ ：之前在讲​​waitGroup​​时介绍过，保证结构体不会在编译器期间拷贝，原因就不在这里说了，想了解的看这篇文章源码剖析sync.WaitGroup(文末思考题你能解释一下吗?)
  • ​​checker​​​：用于禁止运行期间发生拷贝，双重检查(​​Double check​​)
  • ​​L​​​：可以传入一个读写锁或互斥锁，当修改条件或者调用​​wait​​方法时需要加锁
  • ​​notify​​​：通知链表，调用​​wait()​​方法的​​Goroutine​​会放到这个链表中，唤醒从这里取。我们可以看一下​​notifyList​​的结构：
type notifyList struct {
 wait   uint32
 notify uint32
 lock   uintptr // key field of the mutex
 head   unsafe.Pointer
 tail   unsafe.Pointer
}

我们简单分析一下​​notifyList​​的各个字段：

  • ​​wait​​​：下一个等待唤醒​​Goroutine​​的索引，他是在锁外自动递增的.
  • ​​notify​​​：下一个要通知的​​Goroutine​​的索引，他可以在锁外读取，但是只能在锁持有的情况下写入.
  • ​​head​​：指向链表的头部
  • ​​tail​​：指向链表的尾部

基本结构我们都知道了，下面我就来看一看​​Cond​​提供的三种方法是如何实现的～。

​​wait​​

我们先来看一下​​wait​​方法源码部分：

func (c *Cond) Wait() {
 c.checker.check()
 t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)
 c.L.Unlock()
 runtime_notifyListWait(&c.notify, t)
 c.L.Lock()
}

代码量不多，执行步骤如下：

  • 执行运行期间拷贝检查，如果发生了拷贝，则直接​​panic​​程序
  • 调用​​runtime_notifyListAdd​​将等待计数器加一并解锁；
  • 调用​​runtime_notifyListWait​​等待其他 ​​Goroutine​​ 的唤醒并加锁

​​runtime_notifyListAdd​​的实现：

// See runtime/sema.go for documentation.
func notifyListAdd(l *notifyList) uint32 {
 // This may be called concurrently, for example, when called from
 // sync.Cond.Wait while holding a RWMutex in read mode.
 return atomic.Xadd(&l.wait, 1) - 1
}

代码实现比较简单，原子操作将等待计数器加1，因为​​wait​​​代表的是下一个等待唤醒​​Goroutine​​的索引，所以需要减1操作。

​​runtime_notifyListWait​​的实现：

// See runtime/sema.go for documentation.
func notifyListWait(l *notifyList, t uint32) {
 lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)

 // Return right away if this ticket has already been notified.
 if less(t, l.notify) {
  unlock(&l.lock)
  return
 }

 // Enqueue itself.
 s := acquireSudog()
 s.g = getg()
 s.ticket = t
 s.releasetime = 0
 t0 := int64(0)
 if blockprofilerate > 0 {
  t0 = cputicks()
  s.releasetime = -1
 }
 if l.tail == nil {
  l.head = s
 } else {
  l.tail.next = s
 }
 l.tail = s
 goparkunlock(&l.lock, waitReasonSyncCondWait, traceEvGoBlockCond, 3)
 if t0 != 0 {
  blockevent(s.releasetime-t0, 2)
 }
 releaseSudog(s)
}

这里主要执行步骤如下：

  • 检查当前​​wait​​与​​notify​​索引位置是否匹配，如果已经被通知了，便立即返回.
  • 获取当前​​Goroutine​​，并将当前​​Goroutine​​追加到链表末端.
  • 调用​​goparkunlock​​方法让当前​​Goroutine​​进入等待状态，也就是进入睡眠，等待唤醒
  • 被唤醒后，调用​​releaseSudog​​释放当前等待列表中的​​Goroutine​​

看完源码我们来总结一下注意事项：

​​wait​​​方法会把调用者放入​​Cond​​​的等待队列中并阻塞，直到被唤醒，调用​​wait​​​方法必须要持有​​c.L​​锁。

​​signal​​​和​​Broadcast​​

​​signal​​​和​​Broadcast​​​都会唤醒等待队列，不过​​signal​​​是唤醒链表最前面的​​Goroutine​​​，​​Boradcast​​​会唤醒队列中全部的​​Goroutine​​​。下面我们分别来看一下​​signal​​​和​​broadcast​​的源码：

  • ​​signal​​
func (c *Cond) Signal() {
 c.checker.check()
 runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}
func notifyListNotifyOne(l *notifyList) {
 if atomic.Load(&l.wait) == atomic.Load(&l.notify) {
  return
 }
 lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)
 t := l.notify
 if t == atomic.Load(&l.wait) {
  unlock(&l.lock)
  return
 }

 atomic.Store(&l.notify, t+1)

 for p, s := (*sudog)(nil), l.head; s != nil; p, s = s, s.next {
  if s.ticket == t {
   n := s.next
   if p != nil {
    p.next = n
   } else {
    l.head = n
   }
   if n == nil {
    l.tail = p
   }
   unlock(&l.lock)
   s.next = nil
   readyWithTime(s, 4)
   return
  }
 }
 unlock(&l.lock)
}

上面我们看​​wait​​​源代码时，每次都会调用都会原子递增​​wait​​​，那么这个​​wait​​​就代表当前最大的​​wait​​​值，对应唤醒的时候，也就会对应一个​​notify​​​属性，我们在​​notifyList​​​链表中逐个检查，找到​​ticket​​​对应相等的​​notify​​属性。这里大家肯定会有疑惑，我们为何不直接取链表头部唤醒呢？

​​notifyList​​​并不是一直有序的，​​wait​​​方法中调用​​runtime_notifyListAdd​​​和​​runtime_notifyListWait​​​完全是两个独立的行为，中间还有释放锁的行为，而当多个 ​​goroutine​​​ 同时进行时，中间会产生进行并发操作，这样就会出现乱序，所以采用这种操作即使在 ​​notifyList​​​ 乱序的情况下，也能取到最先​​Wait​​​ 的 ​​goroutine​​。

  • ​​broadcast​​
func (c *Cond) Broadcast() {
 c.checker.check()
 runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}
func notifyListNotifyAll(l *notifyList) {
 if atomic.Load(&l.wait) == atomic.Load(&l.notify) {
  return
 }

 lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)
 s := l.head
 l.head = nil
 l.tail = nil

 atomic.Store(&l.notify, atomic.Load(&l.wait))
 unlock(&l.lock)
 for s != nil {
  next := s.next
  s.next = nil
  readyWithTime(s, 4)
  s = next
 }
}

全部唤醒实现要简单一些，主要是通过调用​​readyWithTime​​​方法唤醒链表中的​​goroutine​​​，唤醒顺序也是按照加入队列的先后顺序，先加入的会先被唤醒，而后加入的可能 ​​Goroutine​​ 需要等待调度器的调度。

最后我们总结一下使用这两个方法要注意的问题：

  • ​​Signal​​​：允许调用者唤醒一个等待此​​Cond​​的​​Goroutine​​，如果此时没有等待的 ​​goroutine​​，显然无需通知​​waiter​​；如果​​Cond​​ 等待队列中有一个或者多个等待的 ​​goroutine​​，则需要从等待队列中移除第一个 ​​goroutine​​ 并把它唤醒。调用 ​​Signal​​方法时，不强求你一定要持有 ​​c.L​​ 的锁。
  • ​​broadcast​​​：允许调用者唤醒所有等待此 ​​Cond​​ 的​​goroutine​​。如果此时没有等待的​​goroutine​​，显然无需通知 waiter；如果 ​​Cond​​ 等待队列中有一个或者多个等待的 ​​goroutine​​，则清空所有等待的 ​​goroutine​​，并全部唤醒，不强求你一定要持有 ​​c.L​​ 的锁。

注意事项

  • 调用​​wait​​方法的时候一定要加锁，否则会导致程序发生​​panic​​.
  • ​​wait​​​调用时需要检查等待条件是否满足，也就说​​goroutine​​被唤醒了不等于等待条件被满足，等待者被唤醒，只是得到了一次检查的机会而已，推荐写法如下：
//    c.L.Lock()
//    for !condition() {
//        c.Wait()
//    }
//    ... make use of condition ...
//    c.L.Unlock()
  • ​​Signal​​​ 和 ​​Boardcast​​ 两个唤醒操作不需要加锁

总结

其实​​Cond​​​在实际项目中被使用的机会比较少，​​Go​​​特有的​​channel​​​就可以代替它，暂时只在​​Kubernetes​​​项目中看到了应用，使用场景是每次往队列中成功增加了元素后就需要调用 ​​Broadcast​​​ 通知所有的等待者，使用​​Cond​​​就很合适，相比​​channel​​减少了代码复杂性。



源码剖析sync.cond(条件变量的实现机制）_java_02