Lassen Sie uns ausführlich über sync.Cond in Golang sprechen

In diesem Artikel wird das Parallelitätsprimitiv sync.Cond in der Go-Sprache vorgestellt, einschließlich der grundlegenden Verwendung von sync.Cond, Implementierungsprinzipien, Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung und allgemeiner Verwendung Nutzungsszenarien. Sie können Cond besser verstehen und anwenden, um eine Synchronisierung zwischen Goroutinen zu erreichen. 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。

1. 基本使用

1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。

1.4 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。

1.5 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()

2.使用场景

2.1 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

1. Grundlegende Verwendung

1.1 Definition

sync. Cond ist ein Typ in der Standardbibliothek der Go-Sprache, der Bedingungsvariablen darstellt. Bedingungsvariablen sind ein Mechanismus zur Synchronisierung und zum gegenseitigen Ausschluss zwischen mehreren Goroutinen. sync.Cond kann zum Warten und Benachrichtigen von Goroutinen verwendet werden, damit sie unter bestimmten Bedingungen warten oder die Ausführung fortsetzen können. 🎜

1.2 Methodenbeschreibung

🎜sync.Cond ist wie folgt definiert und Wait code> wird mit den Methoden code>, <code>Singal, Broadcast und NewCond bereitgestellt🎜

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()
}

• NewCond Methode: Bietet Erstellungsmethoden für Cond-Instanzen
• Wait Methode: Versetzt den aktuellen Thread in einen blockierenden Zustand und wartet darauf, dass andere Coroutinen aufwachen
• Singal-Methode: Weckt einen Thread auf, der auf die Bedingungsvariable wartet. Wenn kein Thread wartet, kehrt die Methode sofort zurück.
• Broadcast-Methode: Weckt alle Threads auf, die auf die Bedingungsvariable warten. Wenn kein Thread wartet, kehrt die Methode sofort zurück.

1.3 Verwendung

🎜Bei Verwendung von sync.Cond normalerweise Folgendes Schritte sind erforderlich: 🎜

• Definieren Sie einen Mutex, um gemeinsam genutzte Daten zu schützen
• Erstellen Sie ein sync.Cond-Objekt und verknüpfen Sie diese Mutex-Sperre
Wenn Sie auf eine Bedingungsvariable warten müssen, erwerben Sie diese Mutex-Sperre und verwenden Sie die Methode Wait, um auf die Benachrichtigung der Bedingungsvariablen zu warten.
• Wenn Sie darauf warten müssen benachrichtigt Wenn Sie auf eine Coroutine warten, verwenden Sie die Methode Signal oder Broadcast, um die wartende Coroutine zu benachrichtigen.
• Zum Schluss die Mutex-Sperre aufheben.

1.4 Verwendungsbeispiel

🎜Das Folgende ist ein einfaches Beispiel für die Verwendung von sync.Cond zur Implementierung eines Produktionsproduzenten -Verbrauchermodell: 🎜

type notifyList struct {
   wait   uint32
   notify uint32
   lock   uintptr // key field of the mutex
   head   unsafe.Pointer
   tail   unsafe.Pointer
}

🎜In diesem Beispiel wird ein Produzent erstellt, um Aufgaben zu produzieren, und fünf Verbraucher werden erstellt, um Aufgaben zu konsumieren. Wenn die Anzahl der Aufgaben 0 beträgt, ruft der Verbraucher die Methode Wait auf, um in den Blockierungszustand zu wechseln und auf die Benachrichtigung vom Produzenten zu warten. 🎜🎜Wenn der Produzent eine Aufgabe generiert, verwendet er die Methode Broadcast, um alle Verbraucher zu benachrichtigen, die blockierten Verbraucher aufzuwecken und mit der Verarbeitung der Aufgabe zu beginnen. sync.Cond wird hier verwendet, um die Kommunikation und Synchronisation zwischen mehreren Coroutinen zu erreichen. 🎜

1.5 Warum muss Sync.Cond eine Sperre zuordnen und dann die Sperre erwerben, bevor die Wait-Methode aufgerufen wird

🎜Der Grund hier Wenn Sie die Methode Wait nicht sperren, kann es zu einer Race-Bedingung kommen. 🎜🎜Hier wird davon ausgegangen, dass sich mehrere Coroutinen in einem Wartezustand befinden und dann eine Coroutine Broadcast aufruft, um eine oder mehrere der Coroutinen aufzuwecken. 🎜🎜Angenommen, es gibt keine Sperre, bevor die Methode Wait aufgerufen wird, rufen alle Coroutinen wie folgt die Methode condition auf, um festzustellen, ob die Bedingungen erfüllt sind, und übergeben dann die Überprüfung und führen Sie den folgenden Vorgang aus. 🎜

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()
}

🎜Was zu diesem Zeitpunkt passieren wird, ist, dass der Vorgang nur ausgeführt werden kann, wenn die Methode condition erfüllt ist. Nun gibt es einen möglichen Effekt, wenn der vorherige Teil der Coroutine ausgeführt wird, erfüllt er immer noch die condition-Bedingung, aber die nachfolgende Coroutine erfüllt die condition nicht Bedingung, dass der Vorgang noch ausgeführt wird, kann zu Programmfehlern führen. 🎜🎜Die korrekte Verwendung sollte darin bestehen, vor dem Aufruf der Wait-Methode zu sperren. Selbst wenn mehrere Coroutinen aktiviert sind, beurteilt jeweils nur eine Coroutine, ob der condition erfüllt ist > Bedingung und führen Sie dann nachfolgende Vorgänge aus. Auf diese Weise werden nicht mehrere Coroutinen gleichzeitig beurteilt, was dazu führt, dass die Bedingungen nicht erfüllt sind und auch nachfolgende Operationen ausgeführt werden. 🎜

func (c *Cond) Signal() {
   // 唤醒等待队列中的一个协程
   runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}

2. Nutzungsszenarien

2.1 Grundlegende Anweisungen

🎜 sync.Cond wurde entwickelt, um den Zugriff auf gemeinsam genutzte Daten zwischen mehreren Coroutinen zu koordinieren. Szenarien für die Verwendung von sync.Cond beinhalten normalerweise die Operation gemeinsam genutzter Daten. Wenn es keine Operation gemeinsam genutzter Daten gibt, ist die Verwendung nicht erforderlich es. sync.Cond zu koordinieren. Selbstverständlich kann sync.Cond auch dann zur Koordinierung verwendet werden, wenn ein Szenario wiederholter Aktivierungen auftritt, selbst wenn keine Operation für gemeinsam genutzte Daten erfolgt. 🎜🎜Normalerweise sieht das Szenario bei der Verwendung von sync.Cond so aus: Mehrere Coroutinen müssen auf die gleichen freigegebenen Daten zugreifen und warten, bis eine bestimmte Bedingung erfüllt ist, bevor sie auf die freigegebenen Daten zugreifen oder diese ändern können Daten. 🎜

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。

2.2 场景说明

2.2.1 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()
}

2.2.2 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。

3. 原理

3.1 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。

3.2 实现

3.2.1 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()
}

3.2.2 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)
}

3.2.3 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)
}

4.使用注意事项

4.1 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。

4.2 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()

5.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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