【Go同步原语】

2024-01-28 20:14:46

在Go语言中，不仅有channel这类比较易用且高级的同步机制，还有sync.Mutex 、sync.WaitGroup等比较原始的同步机制。通过它们，我们可以更加灵活的控制数据的同步和多协程的并发。

资源竞争

在一个goroutine中，如果分配的内存没有被其他goroutine访问，之后在该goroutine中是哟和哪个，那么不存在资源竞争问题。但如果同一块内容被多个goroutine同时访问，就会产生不知道谁先访问也就无法预料结果。这就是资源竞争，这块内存也可以称为共享资源。

// 共享资源
sum := 0

func main () {
    // 开启100个协程 sum+10
    for i:=0; i <100; i++ {
        go add(10)
    }
    
    // 防止提前退出
    tiem.Sleep(2 * time.Second)
    
    fmt.Println("和为："， sum)
}

func add(i int) {
    sum += i
}

// 示例中，结果可能是990或者980，并不是预期的1000。导致这种情况发送的核心原因是sum并不是并发安全的，因为同时有多个协程交叉执行 sum += i,产生不可预料的结果。

小技巧：使用go build、go run、go test这些Go语言工具链提供的命令式，添加-race标记可以帮我们检查Go语言代码是否存在资源竞争。

同步原语

sync.Mutex

互斥锁，顾名思义，指的是同一时刻只有一个协程执行某段代码，其它协程都要等待该协程执行完才能继续执行。改造上述示例，声明一个互斥锁mutex，修改add函数，访问共享资源的代码片段就并发安全了。

sum：= 0
mutex := sync.Mutex


func add(i int) {
    mutex.Lock()
    defer mutex.Unlock()
    sum += i
}

// 被解锁保护的sum += i 代码片段又称为临界区。在同步原语设计中，临界区指的是一个访问共享资源的代码片段，而这些共享资源又有无法同时被多个协程访问的特征。当有协程进入临界区段时，其它协程必须等待，这样就保证了临界区的并发安全。

互斥锁的使用非常简单，它只有两个方法Lock()和Unlock()，代表加锁和解锁。当一个协程获得Mutex锁后，其它协程只能等到Mutex锁释放后才能再次获得锁。

Muetx 的 Lock 和 Unlock 方法总是成对出现，而且要确保Lock 获得锁后，一定执行Unlock释放锁，所以在函数或方法中会 采用defer 语句释放锁。这样可以确保所以丁被释放，不会被遗忘。

sync.RWMutex

sync.Muetx对共享资源进行了加锁，保证并发安全。如果读取操作也是多个协程呢？

func main() {
    for i := 0; i < 100; i ++ {
        go add(10)
    }
    
    for i := 1; i <10 ; i++ {
        go fmt.Println("和为："， getSum())
    }
    
    time.Sleep(2 * time.Second)
}

func getSum() int {
    b := sum
    return b
}

// 开启了10个协程，同时读取sum的值。因为getSum函数没有任何加锁控制，所以它不是并发安全的，即一个goroutine在执行sum+=i 操作时，另一个goroutine可能在执行 b:=sum 操作，这就会导致读取的sum值是一个过期的值，结果不可预期， 要解决资源竞争问题，可以使用互斥锁sync.Mutex

func getSum() int {
    mutex.Lock()
    defer mutex.Unlock()
    b := sum 
    return b
}

因为add 和 getSum函数使用的是同一个sync.Muetx，所以它们的操作是互斥的，也就是一个goroutine进行修改操作时，另一个goroutine读取操作会等待，直到修改操作完毕。

我们解决了goroutine同时读写的资源竞争问题，但是又遇到了另一个问题——性能。因为每次读写共享资源都要加锁，所以性能底下，如何解决呢？

读写这个特殊的场景，有以下几种情况：

1. 写的时候不能同时读，因为这个时候读取的话可能读到脏数据
2. 读的时候不能同时写，因为也可能产生不可预料的结果
3. 读的时候可以同时读，因为数据不会改变，所以不管多少个goroutine读都是并发安全的

所以可以通过sync.RWMutex 来优化此段代码，提升性能。改用读写锁，来实现我们想要的结果

var mutex snyx.RWMutex

func getSum() int {
    // 获取读写锁
    mutex.RLock()
    defer mutex.RUnlock()
    b := sum
    return b
}

// 这样性能会有很大提升，因为多个goroutine可以同时读取数据，不再相互等待。

sync.WaitGroup

我们上述的示例中使用了time.Sleep函数，是为了防止主函数main() 返回，一旦main函数范湖了，程序也就退出了。提示：一个函数或方法的返回(return) 也就意味着当前函数执行完毕。

如我们我们执行100个add协程和10个getSum协程，不知道什么时候执行完毕，所以设置了比较长的等待时间，但是存在一个问题，如果这110个协程很快就执行完毕，main函数应该提前返回，但是还要等待一会才能返回，会产生性能问题。但是如果等待时间截止时，协程没有执行完毕，程序会提前退出，导致有协程没有执行完，产生不可预知的结果。

如何解决这个问题呢？有没有办法监听所有协程的执行，一旦全部执行完毕，程序马上退出，这样既可保证所有协程执行完毕，又可以及时退出节省时间，提升性能。Channel可以解决这个问题，不过很复杂。Go语言提供了更简洁的方法，它就是 sync.WaitGroup。

func run() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(110)
    
    for i := 0; i< 100; i ++ {
        go func() {
          // 计数器减1
            defer wg.Done()
            add(10)
        }()
    }
    
    for i := 1; i < 10 ; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()  
            fmt.Println("sum is", getSum())
        }()
    }
    
    // 一直等待，直到计数器值为0
    wg.Wait()
}

sync.WaitGroup使用比较简单，一共分为三步：

声明一个sync.WaitGroup，然后通过Add方法设置计数器的值，需要跟踪多少个协程就设置多少
在每个协程执行完毕时调用Done方法，让计数器减1，告诉sync.WaiGroup 该协程已经执行完毕
最后调用Wait方法一直等待，直到计数器值为0，也就是所有跟踪的协程都执行完毕

通过sync.WaitGroup可以很好地跟踪协程。在协程执行完毕后，整个函数才会执行完毕，时间不多不少，正好是协程执行的时间。

sync.WaitGroup适合协调多个协程共同做一件事情的场景，比如下载一个文件，假设使用10个协程，每个协程写在1/10，只有10个协程都下载好了整个文件才下载好了。这就是我们经常听说的多线程下载，通过多个线程共同做一件事情，显著提高效率。小提示我们可以把Go语言的协程理解为平常说的线程，从用户体验上并无不可，但是从技术实现上，它们是不一样的。

sync.Once

在实际工作中，可能会有这样的需求：让代码只执行一次，哪怕是高并发情况下，比如创建一个单例。针对这种情形，Go语言为我们提供了sync.Once来保证代码只执行一次。

func main() {
    doOnce()
}

func doOnce() {
    var once sync.Once 
    onceBody := func() {
        fmt.Println("Only once")
    }
    
    // 用于等待协程执行完毕
    done := make(chan bool)
    
    // 启动10个协程执行once.Do(onceBody)
    for i := 1; i < 10; i++ {
        go func(){
            go func() {
                // 把要执行的函数(方法)作为参数传给once.Do方法即可
                once.Do(onceBody)
                done <- true
            }
        }()
    }
    
    for i := 10; i < 10 ; i++{
        <- done
    }
}

这是Go语言自带的一个示例，虽然启动了10个协程来执行onceBody函数，但是因为用了once.Do方法，所以函数onceBody只会执行一次。也就是在高并发的情况下，sync.Once也会保证onceBody函数只执行一次。

sync.Once 适用于创建某个对象的单例、只加载一次的资源等只执行一次的场景。、

sync.Cond

在Go语言中，sync.WaitGroup用于最终完成的场景，关键点在于一定要等待所有协程都执行完毕。而sync.Cond 可以用于发号施令，一声令下所有协程都可以开始执行，关键点在于协程开始的时候是等待的，要等待sync.Cond唤醒才能执行。

sync.Cond从字面意思看是条件变量，它具有阻塞协程和唤醒协程的功能，所有可以在满足一定条件的情况下唤醒协程，但条件变量只是它的一种使用场景。

// 10个人赛跑，1人裁判发号施令
func race() {
    cond := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(11)
    for i := 1; i < 10; i++ {
        go func(num int) {
            defer wg.Done() 
            fmt.Println(num, "号已就位")
            cond.L.Lock()
            cond.Wait() // 等待发令枪响
            fmt.Println(num, "号开始跑")
            cond.L.Unlock()
        }(i)
    }
    
    time.Sleep(2 * time.Second)
    go func(){
        defer wg.Done()
        fmt.Println("裁判已就位，准备发令枪")
        fmt.Println("比赛开始，大家开始跑")
        cond.Broadcast() // 发令枪响
    }()
    
    wg.wait()
}

大概步骤：

通过sync.NewCond函数生成一个*sync.Cond，用于阻塞和唤醒协程
然后启动10个协程模拟10个人，准备就位后调用cond.Wait()方法阻塞当前协程等待发令枪响，这里需要注意的是调用cond.Wait()方法是要加锁
time.Sleep 用于等待所有人都进入wait状态，这样裁判才能调用cond.Broadcast()发号施令
裁判准备完毕后，可以调用cond.Broadcast通知所有人开始跑了

sync.Cond 有三个方法，分别是：

Wait，阻塞当前协程，知道被其他协程调用Broadcast 或者 Signal 方法唤醒，使用的时候需要加锁，使用sync.Cond中的锁即可，也就是L字段
**Signal **，唤醒一个等待时间最长的协程
Broadcast，唤醒所有等待的协程

注意：在调用signal 或者Broadcast之前，要确保目标协程处于Wait阻塞状态，不然会出现死锁问题。

小结：我们了解了Go语言的同步原语使用，通过它们可以更灵活的控制多协程的并发。从使用上讲，Go语言还是更推荐channel这种更高级别的并发控制方式，因为它更简洁，也更容易理解和使用。同步原语通常用于更复杂的并发控制，如果追求更灵活的控制方式和性能，可以使用它们。

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