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Golang并发编程之sync.Cond类型怎么使用

发布时间:2023-05-04 16:40:07 来源:亿速云 阅读:81 作者:iii 栏目:开发技术

本文小编为大家详细介绍“Golang并发编程之sync.Cond类型怎么使用”,内容详细,步骤清晰,细节处理妥当,希望这篇“Golang并发编程之sync.Cond类型怎么使用”文章能帮助大家解决疑惑,下面跟着小编的思路慢慢深入,一起来学习新知识吧。

    Go 语言的 sync 包提供了一系列同步原语,其中 sync.Cond 就是其中之一。sync.Cond 的作用是在多个 goroutine 之间进行条件变量的同步。

    1. sync.Cond 的基本概念

    1.1 条件变量

    条件变量是一种同步机制,用于在多个 goroutine 之间进行同步。条件变量通常是和互斥锁一起使用的,用于等待某个条件的出现。

    在 Go 语言中,条件变量由 sync.Cond 类型实现。它提供了两个主要的方法:Wait 和 Signal/Broadcast。Wait 方法用于等待条件变量的出现,Signal/Broadcast 方法用于通知等待中的 goroutine。

    1.2 互斥锁

    互斥锁是一种用于控制对共享资源访问的同步机制。它能够保证同一时刻只有一个 goroutine 能够访问共享资源。

    在 Go 语言中,互斥锁由 sync.Mutex 类型实现。它提供了两个主要的方法:Lock 和 Unlock。Lock 方法用于加锁,保证同一时刻只有一个 goroutine 能够访问共享资源;Unlock 方法用于解锁,允许其他 goroutine 访问共享资源。

    1.3 条件变量的实现原理

    条件变量的实现原理基于互斥锁和 goroutine 队列。

    假设有一个条件变量 cond,初始时它没有被触发。当一个 goroutine 调用 cond.Wait() 方法时,它会加锁并将自己加入到 cond 的 goroutine 队列中。接着,它会解锁并进入睡眠状态,等待被唤醒。

    当另一个 goroutine 调用 cond.Signal() 或者 cond.Broadcast() 方法时,它会重新加锁,并从 cond 的 goroutine 队列中选择一个 goroutine 唤醒。被唤醒的 goroutine 会重新加锁,然后继续执行。

    需要注意的是,被唤醒的 goroutine 并不会立即执行,它会等待重新获得锁之后才会继续执行。

    2. sync.Cond 的基本用法

    2.1 创建 sync.Cond 对象

    sync.Cond 对象需要依赖一个 sync.Mutex 或 sync.RWMutex 对象来进行同步和互斥操作。我们可以使用 sync.NewCond 方法来创建一个新的 sync.Cond 对象,该方法接受一个 Mutex 或 RWMutex 对象作为参数,返回一个对应的条件变量对象。

     package main
     
     import (
         "fmt"
         "sync"
     )
     
     func main() {
         var mu sync.Mutex
         cond := sync.NewCond(&mu)
     
         // ...
     }

    2.2 等待条件变量

    sync.Cond 提供了 Wait 方法来等待条件变量的信号。Wait 方法需要在持有 Mutex 或 RWMutex 的情况下进行调用,否则会抛出 panic 异常。

     func (c *Cond) Wait()

    Wait 方法将当前 goroutine 暂停,等待条件变量的信号。在等待过程中,Mutex 或 RWMutex 将被释放,其他 goroutine 可以获取锁并修改共享变量,但是当前 goroutine 仍然保持在等待队列中,直到收到唤醒信号。当 Wait 方法返回时,Mutex 或 RWMutex 会自动重新被锁定。

    下面是一个简单的示例程序,使用 sync.Cond 实现了一个简单的条件等待机制:

     package main
     
     import (
         "fmt"
         "sync"
         "time"
     )
     
     func main() {
         var mu sync.Mutex
         cond := sync.NewCond(&mu)
         var ready bool
     
         // 模拟一个耗时的初始化操作
         go func() {
             time.Sleep(2 * time.Second)
             mu.Lock()
             ready = true
             cond.Signal() // 唤醒等待的 goroutine
             mu.Unlock()
         }()
     
         mu.Lock()
         for !ready {
             cond.Wait() // 等待初始化完成信号
         }
         fmt.Println("Initialization completed")
         mu.Unlock()
     }

    上面的示例程序中,我们通过 sync.Cond 实现了一种等待初始化完成的机制。在初始化完成前,主 goroutine 会等待条件变量的信号,当子 goroutine 完成初始化后,会通过 Signal 方法发送唤醒信号,使得主 goroutine 继续执行。

    2.3 唤醒等待的 goroutine

    sync.Cond 提供了两种方式来唤醒等待的 goroutine:Signal 和 Broadcast。

    2.3.1 Signal 方法

    Signal 方法用于唤醒等待队列中的一个 goroutine,使其继续执行。在调用 Signal 方法之前,必须先获得 Mutex 或 RWMutex 的锁。

     func (c *Cond) Signal()

    Signal 方法会选择等待队列中的一个 goroutine 并唤醒它,如果没有等待的 goroutine,那么 Signal 方法不会产生任何效果。

    下面是一个示例程序,演示了如何使用 Signal 方法唤醒等待的 goroutine:

     package main
     
     import (
         "fmt"
         "sync"
         "time"
     )
     
     func main() {
         var mu sync.Mutex
         cond := sync.NewCond(&mu)
         var ready bool
     
         // 模拟一个耗时的初始化操作
         go func() {
             time.Sleep(2 * time.Second)
             mu.Lock()
             ready = true
             cond.Signal() // 唤醒等待的 goroutine
             mu.Unlock()
         }()
     
         mu.Lock()
         for !ready {
             cond.Wait() // 等待初始化完成信号
         }
         fmt.Println("Initialization completed")
         mu.Unlock()
     }

    在上面的示例程序中,我们通过调用 cond.Signal() 方法来唤醒等待的 goroutine。

    2.3.2 Broadcast 方法

    Broadcast 方法用于唤醒等待队列中的所有 goroutine,使它们继续执行。在调用 Broadcast 方法之前,必须先获得 Mutex 或 RWMutex 的锁。

     func (c *Cond) Broadcast()

    Broadcast 方法会唤醒等待队列中的所有 goroutine,如果没有等待的 goroutine,那么 Broadcast 方法不会产生任何效果。

    下面是一个示例程序,演示了如何使用 Broadcast 方法唤醒等待的 goroutine:

     package main
     
     import (
         "fmt"
         "sync"
         "time"
     )
     
     func main() {
         var mu sync.Mutex
         cond := sync.NewCond(&mu)
         var ready bool
     
         // 模拟一个耗时的初始化操作
         go func() {
             time.Sleep(2 * time.Second)
             mu.Lock()
             ready = true
             cond.Broadcast() // 唤醒等待的所有 goroutine
             mu.Unlock()
         }()
     
         mu.Lock()
         for !ready {
             cond.Wait() // 等待初始化完成信号
         }
         fmt.Println("Initialization completed")
         mu.Unlock()
     }

    在上面的示例程序中,我们通过调用 cond.Broadcast() 方法来唤醒等待的 goroutine。

    3. sync.Cond 的内部实现原理

    sync.Cond 的内部实现依赖于一个等待队列,它维护了等待条件变量的 goroutine 的列表,其中每个 goroutine 都有一个阻塞的状态。当条件变量被发出信号时,等待队列中的一个 goroutine 将被唤醒,并从 Wait 方法中返回,同时将重新获得 Mutex 的锁。

    下面是 sync.Cond 内部的等待队列结构体定义:

     type wait struct {
         // 等待队列中的 goroutine
         // goroutine 在 cond.Wait() 中被加入队列,在 cond.Signal() 或 cond.Broadcast() 中被唤醒
         // 由于队列是单向链表,因此需要保存 next 指针指向下一个元素
         // 当 goroutine 被唤醒时,会将 wait.done 设置为 true,并唤醒 wait.cond.L 上阻塞的 goroutine
         // goroutine 从 Wait() 方法中返回时,会将 wait.done 设置为 true
         // wait.done 可以保证 goroutine 不会重复地从 cond.Wait() 方法中返回
         // wait.done 可以保证 goroutine 在从 cond.Wait() 方法中返回时,已经持有了 Mutex 的锁
         // wait.done 可以保证 goroutine 在被唤醒之前不会在 cond.Wait() 方法中被重新加入到队列中
         done bool
         // 下一个等待队列元素的指针
         next *wait
         // 条件变量
         cond *Cond
     }

    sync.Cond 使用 wait 结构体维护了一个等待队列,其中每个元素都代表了一个等待 goroutine。

    wait 结构体中的 done 字段用于保证 goroutine 不会重复地从 Wait 方法中返回,next 字段用于链接下一个等待元素。

    等待队列的头部和尾部分别使用 wait 结构体的指针 first 和 last 维护。

     type Cond struct {
         // Mutex 保护 condition 变量和等待队列
         L Locker
     
         // 等待队列的头部和尾部
         first *wait
         last  *wait
     }

    sync.Cond 的 Wait 方法实现如下:

     func (c *Cond) Wait() {
         // 将当前 goroutine 加入到等待队列中
         t := new(wait)
         t.cond = c
         c.add(t)
         defer c.remove(t)
     
         // 释放锁并进入阻塞状态
         c.L.Unlock()
         for !t.done {
             runtime.Gosched()
         }
         c.L.Lock()
     }

    在 Wait 方法中,首先创建一个 wait 结构体 t,并将当前 goroutine 加入到等待队列中,然后释放 Mutex 的锁,并进入阻塞状态。

    在等待队列中,goroutine 的状态为阻塞,直到被唤醒并从 Wait 方法中返回。

    当等待的条件变量满足时,唤醒等待队列中的 goroutine 的操作由 Signal 和 Broadcast 方法来实现。

    Signal 方法会唤醒等待队列中的一个 goroutine,而 Broadcast 方法会唤醒所有等待队列中的 goroutine。

     func (c *Cond) Signal() {
         if c.first != nil {
             c.first.wake(true)
         }
     }
     
     func (c *Cond) Broadcast() {
         for c.first != nil {
             c.first.wake(true)
         }
     }

    在 Signal 和 Broadcast 方法中,首先判断等待队列是否为空,如果不为空,则唤醒等待队列中的一个或所有 goroutine,并将它们从阻塞状态中解除。 下面是 wait 结构体的 wake 方法实现:

     func (w *wait) wake(done bool) {
         // 标记 done 字段并解除阻塞状态
         w.done = done
         runtime.NotifyListNotify(&w.cond.L.(*Mutex).notify)
     }

    在 wake 方法中,首先将 wait.done 设置为 true,然后通过调用 runtime.NotifyListNotify 方法,将等待队列中的 goroutine 从阻塞状态中解除。

    这里需要注意的是,在 sync.Cond 的实现中,使用了 Mutex 的 notify 字段来实现 goroutine 的唤醒和阻塞。

    当一个 goroutine 调用 Wait 方法时,它会释放 Mutex 的锁,并进入阻塞状态,同时将自己加入到 Mutex 的 notify 队列中。

    当一个 goroutine 调用 Signal 或 Broadcast 方法时,它会从 Mutex 的 notify 队列中取出一个或多个 goroutine,并唤醒它们。

    这种实现方式与操作系统的线程调度机制类似,可以保证唤醒的 goroutine 在调用 Wait 方法时已经持有了 Mutex 的锁,从而避免了死锁和竞态条件等问题。

    这里再补充一下 Mutex 的 notify 字段的定义:

     type Mutex struct {
         state int32
         sema  uint32
         waitm uint32
         notify notifyList
     }

    notify 字段是一个 notifyList 类型的对象,它定义如下:

     type notifyList struct {
         wait   uint32 // 等待的 goroutine 的数量
         notify uint32 // 唤醒的 goroutine 的数量
         head   *wait  // 等待队列的头部元素
         tail   *wait  // 等待队列的尾部元素
     }

    notifyList 类型的对象维护了一个等待队列和唤醒队列,其中等待队列用于存放阻塞的 goroutine,唤醒队列用于存放将要被唤醒的 goroutine。

    notifyList 类型的对象还维护了等待队列和唤醒队列中 goroutine 的数量。

    当一个 goroutine 调用 Wait 方法时,它会将自己加入到等待队列中,并且将 Mutex 的 waitm 字段加一。

    当一个 goroutine 调用 Signal 或 Broadcast 方法时,它会从等待队列中取出一个或多个 goroutine,并将它们加入到唤醒队列中。

    当一个 goroutine 调用 Unlock 方法时,它会判断唤醒队列中是否有 goroutine 需要唤醒,并将 Mutex 的 sema 字段加一,从而使得下一个 goroutine 获得锁。

    4. sync.Cond 的使用方法

    sync.Cond 的使用方法通常包括以下步骤:

    1.定义互斥锁和条件变量。

     var mutex sync.Mutex
     var cond = sync.NewCond(&mutex)

    2.在生产者和消费者之间使用互斥锁和条件变量进行同步。

     package main
     
     import (
         "fmt"
         "math/rand"
         "sync"
         "time"
     )
     
     type Queue struct {
         items []int
         size  int
         lock  sync.Mutex
         cond  *sync.Cond
     }
     
     func NewQueue(size int) *Queue {
         q := &Queue{
             items: make([]int, 0, size),
             size:  size,
         }
         q.cond = sync.NewCond(&q.lock)
         return q
     }
     
     func (q *Queue) Put(item int) {
         q.lock.Lock()
         defer q.lock.Unlock()
     
         for len(q.items) == q.size {
             q.cond.Wait()
         }
     
         q.items = append(q.items, item)
         fmt.Printf("put item %d, queue len %d\n", item, len(q.items))
     
         q.cond.Signal()
     }
     
     func (q *Queue) Get() int {
         q.lock.Lock()
         defer q.lock.Unlock()
     
         for len(q.items) == 0 {
             q.cond.Wait()
         }
     
         item := q.items[0]
         q.items = q.items[1:]
         fmt.Printf("get item %d, queue len %d\n", item, len(q.items))
     
         q.cond.Signal()
         return item
     }
     
     func Producer(q *Queue, id int) {
         for {
             item := rand.Intn(100)
             q.Put(item)
             time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
         }
     }
     
     func Consumer(q *Queue, id int) {
         for {
             item := q.Get()
             time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
         }
     }
     
     func main() {
         q := NewQueue(5)
         for i := 0; i < 3; i++ {
             go Producer(q, i)
         }
         for i := 0; i < 5; i++ {
             go Consumer(q, i)
         }
         time.Sleep(10 * time.Second)
     }

    在这个例子中,我们创建了一个 Queue 类型,它包含一个整数数组和一个长度。在 Put 和 Get 方法中,我们使用互斥锁和条件变量进行同步。

    在 Producer 和 Consumer 函数中,我们模拟生产者和消费者的行为。生产者会不断地生成随机数,并调用 Put 方法将其放入队列中;消费者会不断地调用 Get 方法从队列中取出数据。

    在主函数中,我们创建了多个生产者和消费者 goroutine,它们并发地操作队列。在程序运行过程中,我们可以看到队列的长度会不断地变化,生产者和消费者会交替执行。

    读到这里,这篇“Golang并发编程之sync.Cond类型怎么使用”文章已经介绍完毕,想要掌握这篇文章的知识点还需要大家自己动手实践使用过才能领会,如果想了解更多相关内容的文章,欢迎关注亿速云行业资讯频道。

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