一文读懂 Go sync.Cond 设计

机器铃砍菜刀
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Go 语言通过 go 关键字开启 goroutine 让开发者可以轻松地实现并发编程,而并发程序的有效运行,往往离不开 sync 包的保驾护航。目前,sync 包的赋能列表包括: sync.atomic 下的原子操作、sync.Map 并发安全 map、sync.Mutexsync.RWMutex 提供的互斥锁与读写锁、sync.Pool 复用对象池、sync.Once 单例模式、 sync.Waitgroup 的多任务协作模式、sync.Cond 的监视器模式。当然,除了 sync 包,还有封装层面更高的 channelcontext

要想写出合格的 Go 程序,以上的这些并发原语是必须要掌握的。对于大多数 Gopher 而言,sync.Cond 应该是最为陌生,本文将一探究竟。

初识 sync.Cond

sync.Cond 字面意义就是同步条件变量,它实现的是一种监视器(Monitor)模式。

In concurrent programming(also known as parallel programming), a monitor is a synchronization construct that allows threads to have both mutual exclusion and the ability to wait (block) for a certain condition to become false.

对于 Cond 而言,它实现一个条件变量,是 goroutine 间等待和通知的点。条件变量与共享的数据隔离,它可以同时阻塞多个 goroutine,直到另外的 goroutine 更改了条件变量,并通知唤醒阻塞着的一个或多个 goroutine。

初次接触的读者,可能会不太明白,那么下面我们看一下 GopherCon 2018 上《Rethinking Classical Concurrency Patterns》 中的演示代码例子。

type Item = int

type Queue struct {
   items     []Item
   itemAdded sync.Cond
}

func NewQueue() *Queue {
   q := new(Queue)
   q.itemAdded.L = &sync.Mutex{} // 为 Cond 绑定锁
   return q
}

func (q *Queue) Put(item Item) {
   q.itemAdded.L.Lock()
   defer q.itemAdded.L.Unlock()
   q.items = append(q.items, item)
   q.itemAdded.Signal()        // 当 Queue 中加入数据成功,调用 Singal 发送通知
}

func (q *Queue) GetMany(n int) []Item {
   q.itemAdded.L.Lock()
   defer q.itemAdded.L.Unlock()
   for len(q.items) < n {     // 等待 Queue 中有 n 个数据
      q.itemAdded.Wait()      // 阻塞等待 Singal 发送通知
   }
   items := q.items[:n:n]
   q.items = q.items[n:]
   return items
}

func main() {
   q := NewQueue()

   var wg sync.WaitGroup
   for n := 10; n > 0; n-- {
      wg.Add(1)
      go func(n int) {
         items := q.GetMany(n)
         fmt.Printf("%2d: %2d\n", n, items)
         wg.Done()
      }(n)
   }

   for i := 0; i < 100; i++ {
      q.Put(i)
   }

   wg.Wait()
}

在这个例子中,Queue 是存储数据 Item 的结构体,它通过 Cond 类型的 itemAdded 来控制数据的输入与输出。可以注意到,这里通过 10 个 goroutine 来消费数据,但它们所需的数据量并不相等,我们可以称之为 batch,依次在 1-10 之间。之后,逐步添加 100 个数据至 Queue 中。最后,我们能够看到 10 个 gotoutine 都能被唤醒,得到它想要的数据。

程序运行结果如下

 6: [ 7  8  9 10 11 12]
 5: [50 51 52 53 54]
 9: [14 15 16 17 18 19 20 21 22]
 1: [13]
 2: [33 34]
 4: [35 36 37 38]
 3: [39 40 41]
 7: [ 0  1  2  3  4  5  6]
 8: [42 43 44 45 46 47 48 49]
10: [23 24 25 26 27 28 29 30 31 32]

当然,程序每次运行结果都不会相同,以上输出只是某一种情况。

sync.Cond 实现

$GOPATH/src/sync/cond.go 中,Cond 的结构体定义如下

type Cond struct {
   noCopy noCopy
   L Locker
   notify  notifyList
   checker copyChecker
}

其中,noCopychecker 字段均是为了避免 Cond 在使用过程中被复制,详见小菜刀的 《no copy 机制》 一文。

L 是 Locker 接口,一般该字段的实际对象是 *RWmutex 或者 *Mutex

type Locker interface {
   Lock()
   Unlock()
}

notifyList 记录的是一个基于票号的通知列表,这里初次看注释看不懂没关系,和下文来回连贯着看。

type notifyList struct {
   wait   uint32         // 用于记录下一个等待者 waiter 的票号
   notify uint32         // 用于记录下一个应该被通知的 waiter 的票号
   lock   uintptr        // 内部锁
   head   unsafe.Pointer // 指向等待者 waiter 的队列队头
   tail   unsafe.Pointer // 指向等待者 waiter 的队列队尾
}

其中,headtail 是指向 sudog 结构体的指针,sudog 是代表的处于等待列表的 goroutine,它本身就是双向链表。值得一提的是,在 sudog 中有一个字段 ticket 就是用于给当前 goroutine 记录票号使用的。

Cond 实现的核心模式为票务系统(ticket system),每一个想要来买票的 goroutine (调用Cond.Wait())我们称之为 waiter,票务系统会给每个 waiter 分配一个取票码,等供票方有该取票码的号时,就会唤醒 waiter。卖票的 goroutine 有两种,第一种是调用 Cond.Signal() 的,它会按照票号唤醒一个买票的 waiter (如果有的话),第二种是调用 Cond.Broadcast() 的,它会通知唤醒所有的阻塞 waiter。为了方便读者能够比较轻松地理解票务系统,下面我们给出图解示例。

在 上文中,我们知道 Cond 字段中 notifyList 结构体是一个记录票号的通知列表。这里将 notifyList 比作排队取票买电影票,当 G1 通过 Wait 来买票时,发现此时并没有票可买,因此他只能阻塞等待有票之后的通知,此时他手上已经取得了专属取票码 0。同样的,G2 和 G3 也同样无票可买,它们分别取到了自己的取票码 1和 2。而 G4 是电影票提供商,它是卖票的,它通过两次 Signal 先后带来了两张票,按照票号顺序依次通知了 G1 和 G2 来取票,并把 notify 更新为了最新的 1。G5 也是买票的,它发现此时已经无票可买了,拿了自己的取票码 3 ,就阻塞等待了。G6 是个大票商,它通过 Broadcast 可以满足所有正在等待的买票者都买到票,此时等待的是 G3 和 G5,因此他直接唤醒了 G3 和 G5,并将 notify 更新到和 wait 值相等。

理解了上述取票系统的运作原理后,我们下面来看 Cond 包下四个实际对外方法函数的实现。

  • NewCond 方法
func NewCond(l Locker) *Cond {
   return &Cond{L: l}
}

用于初始化 Cond 对象,就是初始化控制锁。

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

runtime_notifyListAdd 的实现在 runtime/sema.go 的 notifyListAdd ,它用于原子性地增加等待者的 waiter 票号,并返回当前 goroutine 应该取的票号值 t 。runtime_notifyListWait 的实现在runtime/sema.go 的 notifyListWait,它会尝试去比较此时 goroutine 的应取票号 tnotify 中记录的当前应该被通知的票号。如果 t 小于当前票号,那么直接能得到返回,否则将会则塞等待,通知取号。

同时,这里需要注意的是,由于在进入 runtime_notifyListWait 时,当前 goroutine 通过 c.L.Unlock() 将锁解了,这就意味着有可能会有多个 goroutine 来让条件发生变化。那么,当前 goroutine 是不能保证在 runtime_notifyListWait 返回后,条件就一定是真的,因此需要循环判断条件。正确的 Wait 使用姿势如下:

//    c.L.Lock()
//    for !condition() {
//        c.Wait()
//    }
//    ... make use of condition ...
//    c.L.Unlock()
  • Cond.Signal 方法
func (c *Cond) Signal() {   c.checker.check()   runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)}

runtime_notifyListNotifyOne 的详细实现在 runtime/sema.go 的 notifyListNotifyOne,它的目的就是通知 waiter 取票。具体操作是:如果在上一次通知取票之后没有新的 waiter 取票者,那么该函数会直接返回。否则,它会将取票号 +1,并通知唤醒等待取票的 waiter。

需要注意的是,调用 Signal 方法时,并不需要持有 c.L 锁。

  • Cond.Broadcast 方法
func (c *Cond) Broadcast() {   c.checker.check()   runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)}

runtime_notifyListNotifyAll 的详细实现在 runtime/sema.go 的 notifyListNotifyAll,它会通知唤醒所有的 waiter,并将 notify 值置为 和 wait 值相等。调用 Broadcast 方法时,也不需要持有 c.L 锁。

讨论

$GOPATH/src/sync/cond.go 下,我们可以发现其代码量非常之少,但它呈现的只是核心逻辑,其实现细节位于 runtime/sema.go 之中,依赖的是 runtime 层的调度原语,对细节感兴趣的读者可以深入学习。

问题来了,为什么在日常开发中,我们很少会使用到 sync.Cond ?

  • 无效唤醒

前文中我们提到,使用 Cond.Wait 正确姿势如下

    c.L.Lock()    for !condition() {        c.Wait()    }    ... make use of condition ...    c.L.Unlock()

以文章开头的例子而言,如果在每次调用 Put 方法时,使用 Broadcast 方法唤醒所有的 waiter,那么很大概率上被唤醒的 waiter 醒来发现条件并不满足,又会重新进入等待。尽管是调用 Signal 方法唤醒指定的 waiter,但是它也不能保证唤醒的 waiter 条件一定满足。因此,在实际的使用中,我们需要尽量保证唤醒操作是有效地,为了做到这点,代码的复杂度难免会增加。

  • 饥饿问题

还是以文章开头例子为例,如果同时有多个 goroutine 执行 GetMany(3) 和 GetMany(3000),执行 GetMany(3) 与执行 GetMany(3000) 的 goroutine 被唤醒的概率是一样的,但是由于 GetMany(3) 只需要 3个数据就能满足条件,那么如果一直存在 GetMany(3) 的 goroutine,执行 GetMany(3000) 的 goroutine 将永远拿不到数据,一直被无效唤醒。

  • 不能响应其他事件

条件变量的意义在于让 goroutine 等待某种条件发生时进入睡眠状态。但是这会让 goroutine 在等待条件时,可能会错过一些需要注意的其他事件。例如,调用 Cond.Wait 的函数中包含了 context 上下文,当 context 传来取消信号时,它并不能像我们期望的一样,获取到取消信号并退出。Cond 的使用,让我们不能同时选择(select)条件和其他事件。

  • 可替代性

通过对 sync.Cond 几个对外方法的分析,我们不难看到,它的使用场景是可以被 channel 所代替的,但是这也会增加代码的复杂性。上文中的例子,可以使用 channel 改写如下。

type Item = inttype waiter struct {    n int    c chan []Item}type state struct {    items []Item    wait  []waiter}type Queue struct {    s chan state}func NewQueue() *Queue {    s := make(chan state, 1)    s <- state{}    return &Queue{s}}func (q *Queue) Put(item Item) {    s := <-q.s    s.items = append(s.items, item)    for len(s.wait) > 0 {        w := s.wait[0]        if len(s.items) < w.n {            break        }        w.c <- s.items[:w.n:w.n]        s.items = s.items[w.n:]        s.wait = s.wait[1:]    }    q.s <- s}func (q *Queue) GetMany(n int) []Item {    s := <-q.s    if len(s.wait) == 0 && len(s.items) >= n {        items := s.items[:n:n]        s.items = s.items[n:]        q.s <- s        return items    }    c := make(chan []Item)    s.wait = append(s.wait, waiter{n, c})    q.s <- s    return <-c}

最后,虽然在上文的讨论中都是列出的 sync.Cond 潜在问题,但是如果开发者能够在使用中考虑到以上的几点问题,对于监视器模型的实现而言,在代码的语义逻辑上,sync.Cond 的使用会比 channel 的模式更易理解和维护。记住一点,通俗易懂的代码模型总是比深奥的炫技要接地气。

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