Golang package sync 剖析(二)： sync.WaitGroup

一、前言

Go语言在设计上对同步（Synchronization，数据同步和线程同步）提供大量的支持，比如 goroutine和channel同步原语，库层面有

  
- sync：提供基本的同步原语（比如Mutex、RWMutex、Locker）和 工具类（Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map）
- sync/atomic：提供变量的原子操作（基于硬件指令 compare-and-swap）

-- 引用自《Golang package sync 剖析(一)： sync.Once》

上一期中，我们介绍了 sync.Once 如何保障 exactly once 语义，本期文章我们介绍 package sync 下的另一个工具类：sync.WaitGroup。

二、为什么需要 WaitGroup？

想象一个场景：我们有一个用户画像服务，当一个请求到来时，需要

1. 从 request 里解析出 user_id 和 画像维度参数
2. 根据 user_id 从 ABCDE 五个子服务（数据库服务、存储服务、rpc服务等）拉取不同维度的信息
3. 将读取的信息进行整合，返回给调用方

假设 ABCDE 五个服务的响应时间 p99 是 20~50ms 之间。如果我们顺序调用 ABCDE 读取信息，不考虑数据整合消耗时间，服务端整体响应时间 p99 是：

sum(A, B, C, D, E) => [100ms, 250ms]

先不说业务上能不能接受，响应时间上显然有很大的优化空间。最直观的优化方向就是，取数逻辑的总时间消耗：

sum(A, B, C, D, E) -> max(A, B, C, D, E)

具体到 coding 上，我们需要并行调用 ABCDE 五个子服务，待调用全部返回以后，进行数据整合。如何保障全部返回呢？

此时，sync.WaitGroup 闪耀登场。

三、WaitGroup 用法

官方文档对 WaitGroup 的描述是：一个 WaitGroup 对象可以等待一组协程结束。使用方法是：

1. main协程通过调用 wg.Add(delta int) 设置worker协程的个数，然后创建worker协程；
2. worker协程执行结束以后，都要调用 wg.Done()；
3. main协程调用 wg.Wait() 且被block，直到所有worker协程全部执行结束后返回。

这里先看一个典型的例子：

// src/cmd/compile/internal/ssa/gen/main.go
func  main() {
  // 省略部分代码 ...
  var wg sync.WaitGroup
  for _, task := range tasks {
    task  := task
    wg.Add(1)
    go func() {
      task()
      wg.Done()
    }()
  }
  wg.Wait()
  // 省略部分代码...
}

这个例子具备了 WaitGroup 正确使用的大部分要素，包括：

1. wg.Done 必须在所有 wg.Add 之后执行，所以要保证两个函数都在main协程中调用；
2. wg.Done 在 worker协程里调用，尤其要保证调用一次，不能因为 panic 或任何原因导致没有执行（建议使用 defer wg.Done()）；
3. wg.Done 和 wg.Wait 在时序上是没有先后。

细心的朋友可能会发现一行非常诡异的代码：

task  := task

Go 对 array/slice 进行遍历时，runtime 会把 task[i] 拷贝到 task 的内存地址，下标 i 会变，而 task 的内存地址不会变。如果不进行这次赋值操作，所有 goroutine 可能读到的都是最后一个task。为了让大家有一个直观的感觉，我们用下面这段代码做实验：

package main

import (
  "fmt"
  "unsafe"
)

func main() {
  tasks := []func(){
    func() { fmt.Printf("1. ") },
    func() { fmt.Printf("2. ") },
  }

  for idx, task := range tasks {
    task()
    fmt.Printf("遍历 = %v, ", unsafe.Pointer(&task))
    fmt.Printf("下标 = %v, ", unsafe.Pointer(&tasks[idx]))
    task  := task
    fmt.Printf("局部变量 = %v\\n", unsafe.Pointer(&task))
  }
}

这段代码的打印结果是：

1. 遍历 = 0x40c140, 下标 = 0x40c138, 局部变量 = 0x40c150
2. 遍历 = 0x40c140, 下标 = 0x40c13c, 局部变量 = 0x40c158

不同机器上执行打印结果有所不同，但共同点是：

1. 遍历时，数据的内存地址不变
2. 通过下标取数时，内存地址不同
3. for-loop 内创建的局部变量，即便名字相同，内存地址也不会复用

使用 WaitGroup 时，除了上面提到的注意事项，还需要解决数据回收和异常处理的问题。这里我们也提供两种方式供参考：

1. 对于 rpc 调用，可以通过 data channel 和 error channel 搜集信息，或者二合一的channel
2. 共享变量，比如加锁的 map

四、WaitGroup 实现

在讨论这个主题之前，建议读者先思考一下：如果让你去实现 WaitGroup，你会怎么做？

锁？肯定不行！

信号量？怎么实现？

------------切入正题------------

在 Go 源码里，WaitGroup 在逻辑上包含：

1. worker 计数器：main协程调用 wg.Add(delta int) 时增加 delta，调用 wg.Done时减一。
2. waiter 计数器：调用 wg.Wait 时，计数器加一; worker计数器降低到0时，重置waiter计数器。
3. 信号量：用于阻塞 main协程。调用 wg.Wait 时，通过 runtime_Semacquire 获取信号量；降低 waiter 计数器时，通过 runtime_Semrelease 释放信号量。

为了便于演示，我们魔改一下上面的例子：

package main

import (
  "fmt"
  "sync"
  "time"
)

func main() {
  tasks  := []func(){
    func() { time.Sleep(time.Second); fmt.Println("1 sec later") },
    func() { time.Sleep(time.Second *  2); fmt.Println("2 sec later") },
}

  var wg sync.WaitGroup // 1-1
  wg.Add(len(tasks))    // 1-2
  for _, task := range tasks {
    task  := task
    go func() {       // 1-3-1
      defer wg.Done() // 1-3-2
      task()          // 1-3-3
    }()               // 1-3-1
  }
  wg.Wait()           // 1-4
  fmt.Println("exit")
}

上面这段代码中，

1. 1-1 创建一个 WaitGroup 对象，worker计数器和waiter计数器默认值均为0。
2. 1-2 设置 worker计数器为 len(tasks)。
3. 1-3-1 创建 worker协程，并启动任务。
4. 1-4 设置 waiter计数器，获取信号量，main协程被阻塞。

5. 1-3-3 中执行结束后，1-3-2 降低worker计数器。当worker计数器降低到0时，

   • 重置 waiter计数器
   • 释放信号量，main 协程被激活，1-4 wg.Wait 返回

尽管 Add(delta int) 里 delta 可以是正数、0、负数。我们在使用时，delta 总是正数。

wg.Done 等价于 wg.Add(-1)。在本文中，我们提到 wg.Add时，默认 delta > 0。

了解了 WaitGroup 的原理以后，我们看下它的源码。为了便于理解，我只保留了核心逻辑。对于这部分逻辑，我们分三部分讲解：

1. WaitGroup 结构
2. Add 和 Done
3. Wait

提示：如果只想了解 WaitGroup 的正确用法，本文读到这儿就足够了。对底层有兴趣的朋友可以继续读，不过最好打开IDE，参考源码一起读。

4.1 WaitGroup 结构

type WaitGroup struct {
  noCopy noCopy
  state1 [3]uint32
}

WaitGroup 结构体里有 noCopy 和 state1 两个字段。

编译代码时，go vet 工具会检查 noCopy 字段，避免 WaitGroup 对象被拷贝。

state1 字段比较秀，在逻辑上它包含了 worker计数器、waiter计数器和信号量。具体如何读这三个变量，参考下面代码：

// state returns pointers to the state and sema fields stored within wg.state1.
func (wg *WaitGroup) state() (statep *uint64, semap *uint32) {
  if uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 {
    return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2]
  } else {
    return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1[1])), &wg.state1[0]
  }
}

// 读取计数器和信号量
statep, semap := wg.state()
state  := atomic.LoadUint64(statep)
v := int32(state >> 32)
w := uint32(state)

三个变量的取数逻辑是：

• worker计数器：v 是 statep *uint64 的左32位
• waiter计数器：w 是 statep *uint64 的右32位
• 信号量：semap 是 state1 [3]uint32 的第一个字节/最后一个字节

所以，更新worker计数器，需要这样做：

state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)

更新waiter计数器，需要这样做：

statep, semap := wg.state()
for {
  state := atomic.LoadUint64(statep)
  if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1)   {
    // 忽略其他逻辑
    return
  }
}

细心的朋友可能会发现，worker计数器的更新是直接累加，而 waiter计数器的更新是 CompareAndSwap。这是因为在 main协程中执行 wg.Add 时，只有main协程对 state1 做修改；而 wg.Wait 中修改waiter计数器时，可能有很多个协程在更新 state1。如果你还不太理解这段话，不妨先往下走，了解 wg.Add 和 wg.Wait 的细节之后再回头看。

4.2 Add 和 Done

wg.Add 操作的核心逻辑比较简单，即修改 worker计数器，根据worker计数器的状态进行后续操作。简化版的代码如下：

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
  statep, semap := wg.state()
  // 1. 修改worker计数器
  state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
  v := int32(state >> 32)
  w := uint32(state)
  if v <  0 {
    panic("sync: negative WaitGroup counter")
  }
  if w != 0 && delta > 0 && v == int32(delta) {
    panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
  }
  // 2. 判断计数器
  if v > 0 || w == 0 {
    return
  }
  
  // 3. 当 worker计数器降低到0时
  // 重置 waiter计数器，并释放信号量
  *statep = 0
  for ; w != 0; w-- {
    runtime_Semrelease(semap, false)
  }
}

func (wg *WaitGroup) Done() {
  wg.Add(-1)
}

4.3 Wait

wg.Wait 的逻辑是修改waiter计数器，并等待信号量被释放。简化版的代码如下：

func (wg *WaitGroup) Wait() {
  statep, semap  := wg.state()
  for {
    // 1. 读取计数器
    state := atomic.LoadUint64(statep)
    v := int32(state >> 32)
    w := uint32(state)
    if v == 0 {
      return
    }

    // 2. 增加waiter计数器
    if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
      // 3. 获取信号量
      runtime_Semacquire(semap)
      if *statep != 0 {
        panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned")
      }
    
      // 4. 信号量获取成功
      return
    }
  }
}

由于源码比较长，包含了很多校验逻辑和注释，本文中在引用时，在保留核心逻辑的同时均做了不同程度的删减。最后，推荐各位把源码下载下来，细细研读一番，从细节上对 WaitGroup 的设计有更深入的理解。

References

1. Golang: sync.WaitGroup

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