GosyncCond，最被忽视的同步机制

这是帖子的摘录；完整的帖子可以在这里找到：https://victoriametrics.com/blog/go-sync-cond/

这篇文章是有关 go 中处理并发的系列文章的一部分：

• gosync.mutex：正常和饥饿模式
• gosync.waitgroup 和对齐问题
• gosync.pool 及其背后的机制
• 使用sync.cond，最被忽视的同步机制（我们来了）
• gosync.map：适合正确工作的正确工具
• go singleflight 融入您的代码，而不是您的数据库

在go中，sync.cond是一个同步原语，尽管它不像sync.mutex或sync.waitgroup那样常用。您很少会在大多数项目中甚至在标准库中看到它，而其他同步机制往往会取代它。

也就是说，作为一名 go 工程师，你不会真的希望自己在阅读使用sync.cond 的代码时却不知道发生了什么，因为毕竟它是标准库的一部分。

因此，本次讨论将帮助您缩小这一差距，更好的是，它会让您更清楚地了解它在实践中的实际运作方式。

什么是sync.cond？

那么，让我们来分析一下sync.cond 的意义。

当 goroutine 需要等待特定事情发生时，例如某些共享数据更改，它可以“阻塞”，这意味着它只是暂停其工作，直到获得继续的许可。最基本的方法是使用循环，甚至可能添加一个 time.sleep 来防止 cpu 因忙等待而疯狂。

这可能是这样的：

// wait until condition is true
for !condition {  
}

// or 
for !condition {
    time.sleep(100 * time.millisecond)
}

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现在，这并不是真正有效，因为该循环仍在后台运行，消耗 cpu 周期，即使没有任何更改。

这就是sync.cond 发挥作用的地方，它是让 goroutine 协调工作的更好方法。从技术上讲，如果您来自更学术的背景，那么它是一个“条件变量”。

• 当一个goroutine正在等待某件事发生时（等待某个条件成立），它可以调用wait()。
• 另一个 goroutine，一旦知道条件可能满足，就可以调用 signal() 或 broadcast() 来唤醒等待的 goroutine，并让它们知道是时候继续前进了。

这是sync.cond的基本接口：

// suspends the calling goroutine until the condition is met
func (c *cond) wait() {}

// wakes up one waiting goroutine, if there is one
func (c *cond) signal() {}

// wakes up all waiting goroutines
func (c *cond) broadcast() {}

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好吧，让我们看一个快速的伪示例。这次，我们有一个 pokémon 主题，假设我们正在等待一个特定的 pokémon，并且我们希望在它出现时通知其他 goroutines。

var pokemonlist = []string{"pikachu", "charmander", "squirtle", "bulbasaur", "jigglypuff"}
var cond = sync.newcond(&sync.mutex{})
var pokemon = ""

func main() {
    // consumer
    go func() {
        cond.l.lock()
        defer cond.l.unlock()

        // waits until pikachu appears
        for pokemon != "pikachu" {
            cond.wait()
        }
        println("caught" + pokemon)
        pokemon = ""
    }()

    // producer
    go func() {
        // every 1ms, a random pokémon appears
        for i := 0; i 



<p>在此示例中，一个 goroutine 正在等待皮卡丘出现，而另一个 goroutine（生产者）从列表中随机选择一个神奇宝贝，并在新神奇宝贝出现时向消费者发出信号。</p>

<p>当生产者发送信号时，消费者醒来并检查是否出现了正确的神奇宝贝。如果有，我们就捕获神奇宝贝，如果没有，消费者就回去睡觉并等待下一个。</p>

<p>问题是，生产者发送信号和消费者实际醒来之间存在差距。与此同时，pokémon 可能会发生变化，因为消费者 goroutine 可能会晚于 1 毫秒（很少）醒来，或者其他 goroutine 会修改共享的 pokemon。所以sync.cond 基本上是在说：<em>'嘿，有些东西改变了！醒过来看看，但如果太晚了，可能又会变了。'</em> </p>

<p>如果消费者起晚了，pokémon 可能会逃跑，而 goroutine 会重新进入睡眠状态。</p>

<blockquote>
<p><strong><em>“哈，我可以使用一个通道来将 pokemon 名称或信号发送给另一个 goroutine”</em></strong></p>
</blockquote>

<p>当然。事实上，在 go 中，通道通常比sync.cond更受欢迎，因为它们更简单，更惯用，并且为大多数开发人员所熟悉。</p>

<p>在上面的情况下，您可以轻松地通过通道发送 pokémon 名称，或者仅使用空 struct{} 来发出信号而不发送任何数据。但我们的问题不仅仅是通过通道传递消息，而是处理共享状态。 </p>

<p>我们的例子非常简单，但是如果多个 goroutine 访问共享的 pokemon 变量，让我们看看如果我们使用通道会发生什么：</p>

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• 如果我们使用通道发送 pokémon 名称，我们仍然需要一个互斥体来保护共享的 pokemon 变量。
• 如果我们仅使用通道来发出信号，则仍然需要互斥体来管理对共享状态的访问。
• 如果我们在生产者中检查皮卡丘，然后通过通道发送它，我们还需要一个互斥锁。最重要的是，我们违反了关注点分离原则，即生产者承担了真正属于消费者的逻辑。

也就是说，当多个 goroutine 修改共享数据时，仍然需要互斥体来保护它。在这些情况下，您经常会看到通道和互斥体的组合，以确保正确的同步和数据安全。

“好的，但是广播信号呢？”

好问题！您确实可以通过简单地关闭通道（close(ch)）来使用通道向所有等待的 goroutine 模仿广播信号。当您关闭通道时，从该通道接收的所有 goroutine 都会收到通知。但请记住，关闭的通道无法重复使用，一旦关闭，它就会保持关闭状态。

顺便说一句，实际上有人在讨论在 go 2 中删除sync.cond：提案：sync：删除 cond 类型。

“那么，sync.cond 有什么用呢？”

嗯，在某些情况下，sync.cond 可能比通道更合适。

1. 使用通道，你可以通过发送值的方式向一个 goroutine 发送信号，也可以通过关闭通道来通知所有 goroutine，但你不能同时执行这两种操作。 sync.cond 为您提供更细粒度的控制。你可以调用 signal() 来唤醒单个 goroutine，或者调用 broadcast() 来唤醒所有 goroutine。
2. 并且您可以根据需要多次调用 broadcast()，而通道一旦关闭就无法执行此操作（关闭已关闭的通道会引发恐慌）。
3. 通道不提供保护共享数据的内置方法 - 您需要使用互斥体单独管理它。另一方面，sync.cond 通过将锁定和信号发送到一个包中，为您提供了一种更加集成的方法（以及更好的性能）。

“为什么要在sync.cond中嵌入lock？”

理论上，像sync.cond 这样的条件变量不必绑定到锁即可使其信号正常工作。

您可以让用户在条件变量之外管理自己的锁，这听起来像是提供了更大的灵活性。这并不是真正的技术限制，更多的是人为错误。

手动管理很容易导致错误，因为该模式不太直观，您必须在调用 wait() 之前解锁互斥体，然后在 goroutine 唤醒时再次锁定它。这个过程可能会让人感觉尴尬，而且很容易出错，比如忘记在正确的时间锁定或解锁。

但是为什么图案看起来有点不对劲？

通常，调用 cond.wait() 的 goroutine 需要在循环中检查某些共享状态，如下所示：

for !checksomesharedstate() {
    cond.wait()
}

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sync.cond 中嵌入的锁帮助我们处理锁定/解锁过程，使代码更简洁且不易出错，我们将很快详细讨论该模式。

如何使用？

如果仔细观察前面的示例，您会注意到消费者中的一致模式：我们总是在等待 (.wait()) 条件之前锁定互斥体，并在满足条件后解锁它。

另外，我们将等待条件包装在一个循环中，这里复习一下：

// consumer
go func() {
    cond.l.lock()
    defer cond.l.unlock()

    // waits until pikachu appears
    for pokemon != "pikachu" {
        cond.wait()
    }
    println("caught" + pokemon)
}()

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条件等待()

当我们在sync.cond 上调用wait() 时，我们是在告诉当前的goroutine 等待，直到满足某些条件。

这是幕后发生的事情：

1. 该 goroutine 被添加到其他也在等待相同条件的 goroutine 列表中。所有这些 goroutine 都被阻塞，这意味着它们无法继续，直到被 signal() 或 broadcast() 调用“唤醒”为止。
2. 这里的关键部分是，在调用 wait() 之前必须锁定互斥锁，因为 wait() 做了一些重要的事情，它会在让 goroutine 休眠之前自动释放锁（调用 unlock()）。这允许其他 goroutine 在原始 goroutine 等待时获取锁并完成其工作。
3. 当等待的 goroutine 被唤醒（通过 signal() 或 broadcast()）时，它不会立即恢复工作。首先，它必须重新获取锁（lock()）。

以下是 wait() 在底层的工作原理：

func (c *cond) wait() {
    // check if cond has been copied
    c.checker.check()

    // get the ticket number
    t := runtime_notifylistadd(&c.notify)

    // unlock the mutex     
    c.l.unlock()

    // suspend the goroutine until being woken up
    runtime_notifylistwait(&c.notify, t)

    // re-lock the mutex
    c.l.lock()
}

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虽然很简单，但我们可以总结出4个要点：

1. 有一个检查器可以防止复制 cond 实例，如果这样做会出现恐慌。
2. 调用 cond.wait() 会立即解锁互斥体，因此在调用 cond.wait() 之前必须锁定互斥体，否则会出现恐慌。
3. 被唤醒后，cond.wait() 会重新锁定互斥体，这意味着您在使用完共享数据后需要再次解锁它。
4. sync.cond 的大部分功能是在 go 运行时中通过名为 notificationlist 的内部数据结构实现的，该结构使用基于票据的系统进行通知。

由于这种锁定/解锁行为，在使用sync.cond.wait() 时您将遵循一个典型模式以避免常见错误：

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

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“为什么不直接使用 c.wait() 而不使用循环呢？”

这是帖子的摘录；完整的帖子可以在这里找到：https://victoriametrics.com/blog/go-sync-cond/

以上就是GosyncCond，最被忽视的同步机制的详细内容，更多请关注抖狐科技其它相关文章！