Mari kita bercakap secara mendalam tentang penyegerakan.Cond di Golang

Artikel ini akan memperkenalkan sync.Cond concurrency primitif dalam bahasa Go, termasuk kaedah penggunaan asas, prinsip pelaksanaan, langkah berjaga-jaga penggunaan dan senario penggunaan biasa sync.Cond. Dapat memahami dan menggunakan Cond dengan lebih baik untuk mencapai penyegerakan antara goroutine.

1. Penggunaan asas

1.1 Definisi

sync.Cond ialah jenis dalam pustaka standard bahasa Go, yang mewakili pembolehubah keadaan. Pembolehubah keadaan ialah mekanisme untuk penyegerakan dan pengecualian bersama antara berbilang goroutin. sync.Cond boleh digunakan untuk menunggu dan memberitahu goroutine supaya mereka boleh menunggu atau meneruskan pelaksanaan dalam keadaan tertentu.

1.2 Penerangan kaedah

sync.Cond ditakrifkan seperti berikut, menyediakan kaedah Wait, Singal, Broadcast dan NewCond

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 kaedah: Menyediakan kaedah untuk mencipta contoh Cond kaedah
• Wait: Meletakkan urutan semasa ke dalam keadaan menyekat dan menunggu coroutine lain bangun
• SingalKaedah: Bangunkan utas menunggu pembolehubah keadaan Jika tiada utas menunggu, kaedah akan kembali serta-merta.
• BroadcastKaedah: Bangunkan semua utas menunggu pembolehubah keadaan Jika tiada utas menunggu, kaedah akan kembali serta-merta.

1.3 Penggunaan

Apabila menggunakan sync.Cond, langkah berikut biasanya diperlukan:

• Tentukan kunci Pengecualian interaksi , digunakan untuk melindungi data kongsi;
• Buat objek sync.Cond dan kaitkan kunci mutex ini; > kaedah menunggu pembolehubah keadaan dimaklumkan;
• Apabila anda perlu memberitahu coroutine yang menunggu, gunakan kaedah Wait atau
untuk memberitahu coroutine yang menunggu.
• SignalAkhir sekali, lepaskan mutex. Broadcast
• 1.4 Contoh penggunaan

Berikut ialah contoh mudah menggunakan penyegerakan.Cond untuk melaksanakan model pengeluar-pengguna:

Dalam contoh ini, seorang pengeluar dicipta untuk menghasilkan tugasan, dan lima pengguna dicipta untuk menggunakan tugasan. Apabila bilangan tugasan ialah 0, pengguna akan memanggil kaedah

untuk memasuki keadaan menyekat dan menunggu pemberitahuan daripada pengeluar.

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()
    }
}

Apabila pengeluar menjana tugasan, gunakan kaedah Wait untuk memberitahu semua pengguna, membangunkan pengguna yang disekat dan mula menggunakan tugas itu.

digunakan di sini untuk mencapai komunikasi dan penyegerakan antara berbilang coroutine.

Broadcastsync.Cond1.5 Mengapakah Sync.Cond perlu mengaitkan kunci, dan kemudian memperoleh kunci sebelum memanggil kaedah Tunggu

Sebabnya di sini ialah jika anda tidak? t panggil kaedah sebelum Mengunci boleh menyebabkan keadaan perlumbaan.

Di sini diandaikan bahawa berbilang coroutine berada dalam keadaan menunggu, dan kemudian coroutine memanggil Siaran untuk membangunkan satu atau lebih coroutine Pada masa ini, coroutine ini akan dibangkitkan. Wait

adalah seperti berikut dengan mengandaikan bahawa tiada kunci sebelum memanggil kaedah

, maka semua coroutine akan memanggil kaedah

untuk menentukan sama ada syarat dipenuhi, dan kemudian lulus pengesahan dan melakukan operasi seterusnya. .

WaitconditionApa yang akan berlaku pada masa ini ialah operasi hanya boleh dilakukan jika kaedah

berpuas hati. Kini terdapat kesan yang mungkin Apabila bahagian sebelumnya coroutine dilaksanakan, ia masih memenuhi syarat

for !condition() {
    c.Wait()
}
c.L.Lock()
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()

tetapi coroutine berikutnya, walaupun ia tidak memenuhi syarat

, masih melakukan operasi seterusnya, yang mungkin menyebabkan; ralat program. Penggunaan yang betul bagi conditioncondition adalah untuk mengunci sebelum memanggil kaedah condition Kemudian walaupun berbilang coroutine dibangkitkan, hanya satu coroutine akan menilai sama ada syarat

dipenuhi dan kemudian melaksanakannya. sehingga operasi. Dengan cara ini, berbilang coroutine tidak akan dinilai pada masa yang sama, menyebabkan keadaan tidak dipenuhi dan operasi seterusnya dilakukan.

Waitcondition

2. Senario Penggunaan

c.L.Lock()
for !condition() {
    c.Wait()
}
// 满足条件情况下,执行的逻辑
c.L.Unlock()

2.1 Penerangan Asas

adalah untuk menyelaraskan berbilang coroutine Direka untuk akses kepada data yang dikongsi antara. Senario menggunakan

biasanya melibatkan operasi pada data kongsi Jika

tidak mempunyai data kongsi sync.Cond operasi, maka sync.Cond tidak perlu menggunakan untuk penyelarasan. Sudah tentu, jika terdapat senario bangun berulang, boleh digunakan untuk penyelarasan walaupun tiada operasi pada data yang dikongsi. Biasanya, senario menggunakan sync.Cond ialah: berbilang coroutine perlu mengakses data kongsi yang sama dan mereka perlu menunggu syarat tertentu dipenuhi sebelum mereka boleh mengakses atau mengubah suai data yang dikongsi. sync.Cond

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。

推荐学习：Golang教程

Atas ialah kandungan terperinci Mari kita bercakap secara mendalam tentang penyegerakan.Cond di Golang. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!