Go语言sync.Cond基本使用及原理示例详解
作者：starrySky
1. 简介
本文将介绍 Go 语言中的 sync.Cond 并发原语，包括 sync.Cond的基本使用方法、实现原理、使用注意事项以及常见的使用使用场景。能够更好地理解和应用 Cond 来实现 goroutine 之间的同步。
2. 基本使用
2.1 定义
sync.Cond是Go语言标准库中的一个类型，代表条件变量。条件变量是用于多个goroutine之间进行同步和互斥的一种机制。sync.Cond可以用于等待和通知goroutine，以便它们可以在特定条件下等待或继续执行。
2.2 方法说明
sync.Cond的定义如下，提供了Wait ,Singal,Broadcast以及NewCond方法
type Cond struct {
noCopy noCopy
// L is held while observing or changing the condition
L Locker
notify notifyList
checker copyChecker
}
func NewCond(l Locker) *Cond {}
func (c *Cond) Wait() {}
func (c *Cond) Signal() {}
func (c *Cond) Broadcast() {}
NewCond方法： 提供创建Cond实例的方法Wait方法: 使当前线程进入阻塞状态，等待其他协程唤醒Singal方法: 唤醒一个等待该条件变量的线程，如果没有线程在等待，则该方法会立即返回。Broadcast方法: 唤醒所有等待该条件变量的线程，如果没有线程在等待，则该方法会立即返回。
2.3 使用方式
当使用sync.Cond时，通常需要以下几个步骤：
- 定义一个互斥锁，用于保护共享数据；
- 创建一个
sync.Cond对象，关联这个互斥锁； - 在需要等待条件变量的地方，获取这个互斥锁，并使用
Wait方法等待条件变量被通知； - 在需要通知等待的协程时，使用
Signal或Broadcast方法通知等待的协程。 - 最后，释放这个互斥锁。
2.4 使用例子
下面是一个使用sync.Cond的简单示例，实现了一个生产者-消费者模型：
var (
// 1. 定义一个互斥锁
mu sync.Mutex
cond *sync.Cond
count int
)
func init() {
// 2.将互斥锁和sync.Cond进行关联
cond = sync.NewCond(&mu)
}
func worker(id int) {
// 消费者
for {
// 3. 在需要等待的地方,获取互斥锁，调用Wait方法等待被通知
mu.Lock()
// 这里会不断循环判断 是否有待消费的任务
for count == 0 {
cond.Wait() // 等待任务
}
count--
fmt.Printf("worker %d: 处理了一个任务\n", id)
// 5. 最后释放锁
mu.Unlock()
}
}
func main() {
// 启动5个消费者
for i := 1; i <= 5; i++ {
go worker(i)
}
for {
// 生产者
time.Sleep(1 * time.Second)
mu.Lock()
count++
// 4. 在需要等待的地方,获取互斥锁，调用BroadCast/Singal方法进行通知
cond.Broadcast()
mu.Unlock()
}
}
在这个示例中，创建一个生产者在生产任务，同时创建五个消费者来消费任务。当任务数为0时，此时消费者会调用Wait方法进入阻塞状态，等待生产者的通知。
当生产者产生任务后，使用Broadcast方法通知所有的消费者，唤醒处于阻塞状态的消费者，开始消费任务。这里使用sync.Cond实现多个协程之间的通信和同步。
2.5 为什么Sync.Cond 需要关联一个锁，然后调用Wait方法前需要先获取该锁
这里的原因在于调用Wait方法前如果不加锁，有可能会出现竞态条件。
这里假设多个协程都处于等待状态，然后一个协程调用了Broadcast唤醒了其中一个或多个协程，此时这些协程都会被唤醒。
如下，假设调用Wait方法前没有加锁的话，那么所有协程都会去调用condition方法去判断是否满足条件，然后都通过验证，执行后续操作。
for !condition() {
c.Wait()
}
c.L.Lock()
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()
此时会出现的情况为，本来是需要在满足condition方法的前提下，才能执行的操作。现在有可能的效果，为前面一部分协程执行时，还是满足condition条件的；但是后面的协程，尽管不满足condition条件，还是执行了后续操作，可能导致程序出错。
正确的用法应该是，在调用Wait方法前便加锁，那么即使多个协程被唤醒，一次也只会有一个协程判断是否满足condition条件，然后执行后续操作。这样子就不会出现多个协程同时判断，导致不满足条件，也执行后续操作的情况出现。
c.L.Lock()
for !condition() {
c.Wait()
}
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()
3.使用场景
3.1 基本说明
sync.Cond是为了协调多个协程之间对共享数据的访问而设计的。使用sync.Cond的场景通常都涉及到对共享数据的操作，如果没有共享数据的操作，那么没有太大必要使用sync.Cond来进行协调。当然，如果存在重复唤醒的场景，即使没有对共享数据的操作，也是可以使用sync.Cond来进行协调的。
通常情况下，使用sync.Cond的场景为：多个协程需要访问同一份共享数据，需要等待某个条件满足后才能访问或修改这份共享数据。
在这些场景下，使用sync.Cond可以方便地实现对共享数据的协调，避免了多个协程之间的竞争和冲突，保证了共享数据的正确性和一致性。因此，如果没有涉及到共享数据的操作，就没有必要使用sync.Cond来进行协调。
3.2 场景说明
3.2.1 同步和协调多个协程之间共享资源
下面举一个使用 sync.Cond 的例子，用它来实现生产者-消费者模型。生产者往items放置元素，当items满了之后，便进入等待状态，等待消费者唤醒。消费者从items中取数据，当items空了之后，便进入等待状态，等待生产者唤醒。
这里多个协程对同一份数据进行操作，且需要基于该数据判断是否唤醒其他协程或进入阻塞状态，来实现多个协程的同步和协调。sync.Cond就适合在这种场景下使用，其正是为这种场景设计的。
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
type Queue struct {
items []int
cap int
lock sync.Mutex
cond *sync.Cond
}
func NewQueue(cap int) *Queue {
q := &Queue{
items: make([]int, 0),
cap: cap,
}
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.cap {
q.cond.Wait()
}
q.items = append(q.items, item)
q.cond.Broadcast()
}
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:]
q.cond.Broadcast()
return item
}
func main() {
q := NewQueue(10)
// Producer
go func() {
for {
q.Put(i)
fmt.Printf("Producer: Put %d\n", i)
time.Sleep(100 * time.Millisecond)
}
}()
// Consumer
go func() {
for {
item := q.Get()
fmt.Printf("Consumer: Get %d\n", item)
time.Sleep(200 * time.Millisecond)
}
}()
wg.Wait()
}
3.2.2 需要重复唤醒的场景中使用
在某些场景中，由于不满足某种条件，此时协程进入阻塞状态，等待条件满足后，由其他协程唤醒，再继续执行。在整个流程中，可能会多次进入阻塞状态，多次被唤醒的情况。
比如上面生产者和消费者模型的例子，生产者可能会产生一批任务，然后唤醒消费者，消费者消费完之后，会进入阻塞状态，等待下一批任务的到来。所以这个流程中，协程可能多次进入阻塞状态，然后再多次被唤醒。
sync.Cond能够实现即使协程多次进入阻塞状态，也能重复唤醒该协程。所以，当出现需要实现重复唤醒的场景时，使用sync.Cond也是非常合适的。
4. 原理
4.1 基本原理
在Sync.Cond存在一个通知队列，保存了所有处于等待状态的协程。通知队列定义如下:
type notifyList struct {
wait uint32
notify uint32
lock uintptr // key field of the mutex
head unsafe.Pointer
tail unsafe.Pointer
}
当调用Wait方法时，此时Wait方法会释放所持有的锁，然后将自己放到notifyList等待队列中等待。此时会将当前协程加入到等待队列的尾部，然后进入阻塞状态。
当调用Signal 时，此时会唤醒等待队列中的第一个协程，其他继续等待。如果此时没有处于等待状态的协程，调用Signal不会有其他作用，直接返回。当调用BoradCast方法时，则会唤醒notfiyList中所有处于等待状态的协程。
sync.Cond的代码实现比较简单，协程的唤醒和阻塞已经由运行时包实现了，sync.Cond的实现直接调用了运行时包提供的API。
4.2 实现
4.2.1 Wait方法实现
Wait方法首先调用runtime_notifyListAd方法，将自己加入到等待队列中，然后释放锁，等待其他协程的唤醒。
func (c *Cond) Wait() {
// 将自己放到等待队列中
t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)
// 释放锁
c.L.Unlock()
// 等待唤醒
runtime_notifyListWait(&c.notify, t)
// 重新获取锁
c.L.Lock()
}
4.2.2 Singal方法实现
Singal方法调用runtime_notifyListNotifyOne唤醒等待队列中的一个协程。
func (c *Cond) Signal() {
// 唤醒等待队列中的一个协程
runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}
4.2.3 Broadcast方法实现
Broadcast方法调用runtime_notifyListNotifyAll唤醒所有处于等待状态的协程。
func (c *Cond) Broadcast() {
// 唤醒等待队列中所有的协程
runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}
5.使用注意事项
5.1 调用Wait方法前未加锁
在上面2.5已经说明了，调用Sync.Cond方法前需要加锁，否则有可能出现竞态条件。而且，现有的sync.Cond的实现，如果在调用Wait方法前未加锁，此时会直接panic，下面是一个简单例子的说明:
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var (
count int
cond *sync.Cond
lk sync.Mutex
)
func main() {
cond = sync.NewCond(&lk)
wg := sync.WaitGroup{}
wg.Add(2)
go func() {
defer wg.Done()
for {
time.Sleep(time.Second)
count++
cond.Broadcast()
}
}()
go func() {
defer wg.Done()
for {
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
//cond.L.Lock()
for count%10 != 0 {
cond.Wait()
}
t.Logf("count = %d", count)
//cond.L.Unlock()
}
}()
wg.Wait()
}
上面代码中，协程一每隔1s，将count字段的值自增1，然后唤醒所有处于等待状态的协程。协程二执行的条件为count的值为10的倍数，此时满足执行条件，唤醒后将会继续往下执行。
但是这里在调用sync.Wait方法前，没有先获取锁，下面是其执行结果，会抛出 fatal error: sync: unlock of unlocked mutex 错误，结果如下:
count = 0 fatal error: sync: unlock of unlocked mutex
因此，在调用Wait方法前，需要先获取到与sync.Cond关联的锁，否则会直接抛出异常。
5.2 Wait方法接收到通知后，未重新检查条件变量
调用sync.Wait方法，协程进入阻塞状态后被唤醒，没有重新检查条件变量，此时有可能仍然处于不满足条件变量的场景下。然后直接执行后续操作，有可能会导致程序出错。下面举一个简单的例子:
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var (
count int
cond *sync.Cond
lk sync.Mutex
)
func main() {
cond = sync.NewCond(&lk)
wg := sync.WaitGroup{}
wg.Add(3)
go func() {
defer wg.Done()
for {
time.Sleep(time.Second)
cond.L.Lock()
// 将flag 设置为true
flag = true
// 唤醒所有处于等待状态的协程
cond.Broadcast()
cond.L.Unlock()
}
}()
for i := 0; i < 2; i++ {
go func(i int) {
defer wg.Done()
for {
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
cond.L.Lock()
// 不满足条件，此时进入等待状态
if !flag {
cond.Wait()
}
// 被唤醒后，此时可能仍然不满足条件
fmt.Printf("协程 %d flag = %t", i, flag)
flag = false
cond.L.Unlock()
}
}(i)
}
wg.Wait()
}
在这个例子，我们启动了一个协程，定时将flag设置为true，相当于每隔一段时间，便满足执行条件，然后唤醒所有处于等待状态的协程。
然后又启动了两个协程，在满足条件的前提下，开始执行后续操作，但是这里协程被唤醒后，没有重新检查条件变量，具体看第39行。这里会出现的场景是，第一个协程被唤醒后，此时执行后续操作，然后将flag重新设置为false，此时已经不满足条件了。之后第二个协程唤醒后，获取到锁，没有重新检查此时是否满足执行条件，直接向下执行，这个就和我们预期不符，可能会导致程序出错，代码执行效果如下:
协程 1 flag = true
协程 0 flag = false
协程 1 flag = true
协程 0 flag = false
可以看到，此时协程0执行时，flag的值均为false,说明此时其实并不符合执行条件，可能会导致程序出错。因此正确用法应该像下面这样子，被唤醒后，需要重新检查条件变量，满足条件之后才能继续向下执行。
c.L.Lock()
// 唤醒后,重新检查条件变量是否满足条件
for !condition() {
c.Wait()
}
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()
6.总结
本文介绍了 Go 语言中的 sync.Cond 并发原语，它是用于实现 goroutine 之间的同步的重要工具。我们首先学习了 sync.Cond 的基本使用方法，包括创建和使用条件变量、使用Wait和Signal/Broadcast方法等。
接着，我们对 sync.Cond 的使用场景进行了说明，如同步和协调多个协程之间共享资源等。
在接下来的部分中，我们介绍了 sync.Cond 的实现原理，主要是对等待队列的使用，从而sync.Cond有更好的理解，能够更好得使用它。同时，我们也讲述了使用sync.Cond的注意事项，如调用Wait方法前需要加锁等。
基于以上内容，本文完成了对 sync.Cond 的介绍，希望能够帮助大家更好地理解和使用Go语言中的并发原语。
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