【Golang】关于Go语言中条件变量 sync.Cond

一、sync.Cond 的使用场景

一句话总结:sync.Cond 条件变量用来协调想要访问共享资源的 那些 goroutine,当共享资源的状态发生变化的时候,它可以用来通知被互斥锁阻塞的 goroutine。

1、sync.Cond 基于互斥锁/读写锁,它和互斥锁的区别是什么呢?

  • 互斥锁 sync.Mutex 通常用来保护临界区和共享资源

  • 条件变量 sync.Cond 用来协调想要访问共享资源的 goroutine,sync.Cond 经常用在多个 goroutine 等待,一个 goroutine 通知(事件发生)的场景。如果是一个通知,一个等待,使用互斥锁或 channel 就能搞定了。

我们想象一个非常简单的场景:有一个协程在异步地接收数据,剩下的多个协程必须等待这个协程接收完数据,才能读取到正确的数据。在这种情况下,如果单纯使用 chan 或互斥锁,那么只能有一个协程可以等待,并读取到数据,没办法通知其他的协程也读取数据。这个时候,就需要有个全局的变量来标志第一个协程数据是否接受完毕,剩下的协程,反复检查该变量的值,直到满足要求。或者创建多个 channel,每个协程阻塞在一个 channel 上,由接收数据的协程在数据接收完毕后,逐个通知。总之,需要额外的复杂度来完成这件事。Go 语言在标准库 sync 中内置一个 sync.Cond 用来解决这类问题。

2、sync.Cond 条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能发挥作用

  • sync.Cond 条件变量用来协调想要访问共享资源的那些线程,当共享资源的状态发生变化的时候,它可以用来通知被互斥锁阻塞的线程;
  • 条件变量的初始化离不开互斥锁,并且它的方法也是基于互斥锁的;
  • 条件变量有四个方法,创建实例(NewCond ),等待通知(wait),单发通知(signal),广播通知(broadcast)。当互斥锁锁定时,可以进行等待通知;当互斥锁解锁时,可以进行单发通知和广播通知。
var mailbox uint8
var lock sync.RWMutex
sendCond := sync.NewCond(&lock)
recvCond := sync.NewCond(lock.RLocker())

二、sync.Cond 的四个方法

sync.Cond 的定义如下:

type Cond struct {
        noCopy noCopy

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

        notify  notifyList
        checker copyChecker
}  

每个 Cond 实例都会关联一个锁 L(互斥锁 *Mutex,或读写锁 *RWMutex),当修改条件或者调用 Wait 方法时,必须加锁。

 sync.Cond 相关的有如下几个方法:

1、 NewCond 创建实例

func NewCond(l Locker) *Cond

NewCond 创建 Cond 实例时,需要关联一个锁

2、 Broadcast 广播唤醒

func (c *Cond) Broadcast()

Broadcast 唤醒所有等待条件变量 c 的 goroutine,无需锁保护。

3、 Signal 唤醒一个协程

func (c *Cond) Signal()

Signal 只唤醒任意 1 个等待条件变量 c 的 goroutine,无需锁保护。

4、Wait 等待

func (c *Cond) Wait()

调用 Wait 会自动释放锁 c.L,并挂起调用者所在的 goroutine,因此当前协程会阻塞在 Wait 方法调用的地方。如果其他协程调用了 Signal 或 Broadcast 唤醒了该协程,那么 Wait 方法在结束阻塞时,会重新给 c.L 加锁,并且继续执行 Wait 后面的代码。

对条件的检查,使用了 for !condition() 而非 if,是因为当前协程被唤醒时,条件不一定符合要求,需要再次 Wait 等待下次被唤醒。为了保险起见,使用 for 能够确保条件符合要求后,再执行后续的代码。

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

三、需要知道的几个点

  • sync.Cond 通过sync.NewCond(sync.Locker)初始化,初始化函数需要一个sync.Locker的参数值

  • sync.Locker其实是一个接口,包含Lock()和Unlock()方法。sync.Mutex和sync.RWMutex都有Lock和Unlock方法,只不过它们都是指针方法。因此,这两个类型的指针类型才是sync.Locker接口的实现类型

  • 通过lock.RLock()获得读锁,这个读锁能调用lock变量的RLock和RUnlock方法,实现对读锁的解锁和锁定。

生产者,向mailbox产生值的对象

lock.Lock()
for mailbox == 1 {
    sendCond.Wait()
}
mailbox = 1
lock.Unlock()
recvCond.Signal()

消费者,向mailbox取值的对象

lock.RLock()
for mailbox == 0 {
 recvCond.Wait()
}
mailbox = 0
lock.RUnlock()
sendCond.Signal()

条件变量的Wait方法主要做了四件事

  • 把调用它的 goroutine(也就是当前的 goroutine)加入到当前条件变量的通知队列中。

  • 解锁当前的条件变量基于的那个互斥锁。

  • 让当前的 goroutine 处于等待状态,等到通知到来时再决定是否唤醒它。此时,这个 goroutine 就会阻塞在调用这个Wait方法的那行代码上。

  • 如果通知到来并且决定唤醒这个 goroutine,那么就在唤醒它之后重新锁定当前条件变量基于的互斥锁。自此之后,当前的 goroutine 就会继续执行后面的代码了。

if语句只会对共享资源的状态检查一次,而for语句却可以做多次检查,直到这个状态改变为止。那为什么要做多次检查呢?这主要是为了保险起见。如果一个 goroutine 因收到通知而被唤醒,但却发现共享资源的状态,依然不符合它的要求,那么就应该再次调用条件变量的Wait方法,并继续等待下次通知的到来。

在 Go 语言中,我们需要用sync.NewCond函数来初始化一个sync.Cond类型的条件变量。sync.NewCond函数需要一个sync.Locker类型的参数值。

sync.Mutex类型的值以及sync.RWMutex类型的值都可以满足这个要求。都可以满足这个要求。另外,后者的RLocker方法可以返回这个值中的读锁,也同样可以作为sync.NewCond函数的参数值,如此就可以生成与读写锁中的读锁对应的条件变量了。条件变量的Wait方法需要在它基于的互斥锁保护下执行,否则就会引发不可恢复的 panic。此外,我们最好使用for语句来检查共享资源的状态,并包裹对条件变量的Wait方法的调用。不要用if语句,因为它不能重复地执行”检查状态 - 等待通知 - 被唤醒“的这个流程。重复执行这个流程的原因是,一个因等待通知,而被阻塞的 goroutine,可能会在共享资源的状态不满足其要求的情况下被唤醒。条件变量的Signal方法只会唤醒一个因等待通知而被阻塞的 goroutine,而它的Broadcast方法却可以唤醒所有为此而等待的 goroutine。后者比前者的适应场景要多得多。这两个方法并不需要受到互斥锁的保护,我们也最好不要在解锁互斥锁之前调用它们。还有,条件变量的通知具有即时性。当通知被发送的时候,如果没有任何 goroutine 需要被唤醒,那么该通知就会立即失效。

四、使用示例

接下来我们实现一个简单的例子,三个协程调用 Wait() 等待,另一个协程调用 Broadcast() 唤醒所有等待的协程。

package main

import (
	"log"
	"sync"
	"time"
)

var done = false

func read(name string, c *sync.Cond) {
	c.L.Lock()
	for !done {
		c.Wait()
	}
	log.Println(name, "starts reading")
	c.L.Unlock()
}

func write(name string, c *sync.Cond) {
	log.Println(name, "starts writing")
	time.Sleep(time.Second)
	c.L.Lock()
	done = true
	c.L.Unlock()
	log.Println(name, "wakes all")
	c.Broadcast()
}

func main() {
	cond := sync.NewCond(&sync.Mutex{})

	go read("reader1", cond)
	go read("reader2", cond)
	go read("reader3", cond)
	write("writer", cond)

	time.Sleep(time.Second * 3)
}

done 即互斥锁需要保护的条件变量

 

  • read() 调用 Wait() 等待通知,直到 done 为 true。
  • write() 接收数据,接收完成后,将 done 置为 true,调用 Broadcast() 通知所有等待的协程。
  • write() 中的暂停了 1s,一方面是模拟耗时,另一方面是确保前面的 3 个 read 协程都执行到 Wait(),处于等待状态。main 函数最后暂停了 3s,确保所有操作执行完毕。

writer 接收数据花费了 1s,同步通知所有等待的协程。

posted @ 2022-10-07 23:02  踏雪无痕SS  阅读(639)  评论(0编辑  收藏  举报