深度剖析golang中的sync包

目录

• 简介
• Mutex
• RWMutex
• WaitGroup
• Once
• Cond
• Map
• Pool

• golang的sync包提供了一些并发控制的工具，在应用程序开发过程中是非常有用的，下面详细介绍下这些工具的原理和使用
• 在介绍工具之前，先讲解下内存模型中的happens-before关系

// 示例：Happens-Before关系
var a string
var done bool
func setup() {
    a = "hello, world"  // 写操作A
    done = true         // 写操作B
}
func main() {
    go setup()
    for !done {        // 读操作C
        // 忙等待
    }
    print(a)           // 读操作D
}

关键点：

• 如果B happens-before C，那么A happens-before D
• sync包的作用就是建立这种happens-before关系

• golang提供的锁，常用于保护共享资源的访问安全，使用如下

func main() {
	var mu sync.Mutex
	mu.Lock()
	defer mu.Unlock()
	mu.TryLock()
}

• mu.Lock()：加锁
• mu.Unlock()：解锁
• mu.TryLock()：尝试加锁，如果成功会返回true

锁结构如下

type Mutex struct {
    state int32  // 锁状态：包含多个标志位
    sema  uint32 // 信号量：用于阻塞goroutine
}

• 加锁的时候，会先使用cas原子操作获取锁(CPU实现)，如果拿不到说明已经被其他goroutine占有，通过自旋阻塞当前goroutine（这过程会通过PAUSE指令减少CPU功耗）

func (m *Mutex) Lock() {
    // 快速路径：尝试原子操作获取锁
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
        return
    }
    // 慢速路径：锁已被持有，需要等待
    m.lockSlow()
}

• 读写均衡或者写者较多的场景，使用这个锁（防止写者竞争，内存占用也更小）

• golang提供的读写锁，和上面的锁区别是区分了读和写两种场景。读之间的冲突不阻塞，若写锁遇到了读锁，需要等待所有读者释放，若读者和写者同时到达，读者要等待写者完成（写优先）

func (rw *RWMutex) Lock() {
    // 1. 获取互斥锁
    rw.w.Lock()
    // 2. 设置readerCount为负值，阻止新读者
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders)
    // 3. 等待现有读者
    if r != 0 {
        runtime_Semacquire(&rw.writerSem)
    }
}
func (rw *RWMutex) RLock() {
    // 检查是否有写者（readerCount < 0表示有写者）
    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
        // 有写者在等待或正在写，读者必须阻塞
        runtime_Semacquire(&rw.readerSem)
    }
}

• 读多写少的场景使用这个读写锁，性能会有比较大的提升

• waitGroup提供了下面三个方法，用来控制多个goroutine是否都执行完成，主goroutine调用Add方法设置要等待的goroutine数量，每个goroutine结束的时候，调用Done方法标记这个任务结束，Wait方法会等待所有goroutine调用完Done方法

func main() {
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1) // 增加一个等待者
	go func() {
		defer wg.Done()
		// 执行逻辑, 逻辑执行完之后, 等待者数量-1
	}()
	wg.Wait() // 等待所有等待者执行完成
}

• 底层实现如下，它使用了一个state来存储等待者和要执行的工作数量

type WaitGroup struct {
    noCopy noCopy
    // 64位值的高32位是计数器，低32位是等待者数量
    // 64位原子操作需要64位对齐，但32位编译器不能确保这一点
    state atomic.Uint64 // high 32 bits are counter, low 32 bits are waiter count.
}

// WaitGroup状态布局（64位）
// 高32位：计数器 (counter)
// 低32位：等待者数量 (waiters)
func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
    statep, semap := wg.state()
    // 更新计数器
    state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
    // 检查状态变化
    v := int32(state >> 32)  // 计数器
    w := uint32(state)       // 等待者数量
    if v > 0 || w == 0 {
        return // 还有工作要做，或者没有等待者
    }
    // 所有工作完成，唤醒等待者
    if *statep != 0 {
        panic("sync: WaitGroup misuse")
    }
    // 唤醒所有等待的goroutine
    for ; w != 0; w-- {
        runtime_Semrelease(semap, false, 0)
    }
}

具体

1. 高32位 = 工作计数器
   wg.Add(5) // 高32位 += 5，表示还有5个工作要做
   wg.Done() // 高32位 -= 1，表示完成了1个工作

• 当高32位变为0时，表示所有工作完成

2. 低32位 = 等待者数量
   wg.Wait() // 低32位 += 1，表示1个goroutine开始等待

• 当高32位变为0时，低32位表示需要唤醒多少个goroutine

当调用Wait方法时，也是一个自旋等待的逻辑。配合cas，实现等待所有工作完成。具体细节参考源码，这里只简单介绍下原理

• sync.Once{}提供了一个多次调用，只执行一次的方法实现，如下所示

func main() {
	once := sync.Once{}
	once.Do(func() {
		// 这里的逻辑只会执行一次
	})
}

• 这个的底层实现比较简单，因为once内部维护了一个原子类，指向一个32位无符号数，当执行func的时候，如果有多个goroutine并发执行，两个goroutine会竞争锁，最终只有一个能够执行func的逻辑，执行完之后，这个数会设置为1，从而后面的所有goroutine都不会再走到执行逻辑。具体参考下面源码实现

func (o *Once) Do(f func()) {
	if o.done.Load() == 0 {
		o.doSlow(f)
	}
}
func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done.Load() == 0 {
		defer o.done.Store(1)
		f()
	}
}

• 这个工具主要是协调访问共享资源的那些goroutine，c.L是工具内部的一个锁。当调用c.L.Wait()会解锁等待Signal或者Broadcast信号，Broadcast会唤醒所有等待的Wait，Signal会随机唤醒一个等待的Wait。具体使用方法如下面的例子所示

func main() {
	cond := sync.NewCond(new(sync.Mutex))
	done := false
	read := func(name string, c *sync.Cond) {
		c.L.Lock()
		if !done {
			c.Wait()
		}
		fmt.Println("start reading: ", name)
		c.L.Unlock()
	}
	write := func(name string, c *sync.Cond) {
		fmt.Println("start writing: ", name)
		c.L.Lock()
		done = true
		c.L.Unlock()
		fmt.Println("wakes all:", name)
		c.Signal()
	}
	go read("read3", cond)
	go read("read1", cond)
	go read("read2", cond)
	write("write1", cond)
	time.Sleep(5 * time.Second)
}

• golang在sync包内提供了一个并发安全的Map，可以增删改查，遍历、compareAndSwap、LoadOrStore等操作。可以做一些无锁编程，提升性能
• 读多写少(读操作占比>80%)、数据量大(键值对数量>1000)、写入不频繁(写入频率<100次/秒)、简单键值等场景，使用这个的性能要优于普通map+锁

• 对于频繁进行内存分配和回收的场景，可以使用sync.Pool{}，例如下面的场景

// 频繁分配和回收的典型特征
func frequentAllocation() {
    pool := sync.Pool{
        New: func() interface{} {
            return make([]byte, 1024)
        },
    }
    // 在循环中重复创建和销毁对象
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 分配：创建新对象
        // buf := make([]byte, 1024)  // 直接分配内存
        buf := pool.Get().([]byte) // 使用对象池
        // 使用对象
        copy(buf, data[i])
        process(buf)
        // 回收：对象超出作用域，被GC回收
        pool.Put(buf[:0]) // 归还对象（清空）
    }
    // 每次循环都经历：分配→使用→回收
}

到此这篇关于深度剖析golang中的sync包的文章就介绍到这了,更多相关goland sync包内容请搜索风君子博客以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持风君子博客！

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