深入聊聊Golang中的sync.Cond

本文將介紹Go 語言中的sync.Cond 並發原語，包括sync.Cond的基本使用方法、實作原則、使用注意事項以及常見的使用使用情境。能夠更好地理解並應用 Cond 來實現 goroutine 之間的同步。

1. 基本使用

1.1 定義

sync.Cond是Go語言標準庫中的一個類型，代表條件變數。條件變數是用於多個goroutine之間進行同步和互斥的一種機制。 sync.Cond可以用於等待和通知goroutine，以便它們可以在特定條件下等待或繼續執行。

1.2 方法說明

sync.Cond的定義如下，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： 提供建立Cond實例的方法
• Wait方法: 使目前執行緒進入阻塞狀態，等待其他協程喚醒
• Singal方法: 喚醒一個等待該條件變數的執行緒，如果沒有執行緒在等待，則該方法會立即返回。
• Broadcast方法: 喚醒所有等待該條件變數的線程，如果沒有線程在等待，則該方法會立即返回。

1.3 使用方式

當使用sync.Cond時，通常需要以下步驟：

• 定義一個互斥鎖，用於保護共享資料；
• 建立一個sync.Cond對象，關聯這個互斥鎖；
• 在需要等待條件變數的地方，取得這個互斥鎖，並使用Wait方法等待條件變數被通知；
• 在需要通知等待的協程時，使用Signal或Broadcast方法通知等待的協程。
• 最後，釋放這個互斥鎖。

1.4 使用範例    

#下面是使用sync.Cond的簡單範例，實作了一個生產者-消費者模式：

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()
    }
}

在這個範例中，創建一個生產者在生產任務，同時創造五個消費者來消費任務。當任務數為0時，此時消費者會呼叫Wait方法進入阻塞狀態，等待生產者的通知。

當生產者產生任務後，使用Broadcast方法通知所有的消費者，喚醒處於阻塞狀態的消費者，開始消費任務。這裡使用sync.Cond來實現多個協程之間的通訊和同步。

1.5 為什麼Sync.Cond 需要關聯一個鎖，然後在呼叫Wait方法前需要先取得該鎖定

這裡的原因在於呼叫Wait方法前如果不加鎖，有可能會出現競態條件。

這裡假設多個協程都處於等待狀態，然後一個協程呼叫了Broadcast喚醒了其中一個或多個協程，此時這些協程都會被喚醒。

如下，假設呼叫Wait方法前沒有加鎖的話，那麼所有協程都會去呼叫condition方法去判斷是否滿足條件，然後都通過驗證，執行後續操作。

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

此時會出現的情況為，本來是需要在滿足condition方法的前提下，才能執行的操作。現在有可能的效果，為前面一部分協程執行時，還是滿足condition條件的；但是後面的協程，儘管不滿足condition條件，還是執行了後續操作，可能導致程序出錯。

正確的用法應該是，在呼叫Wait方法前便加鎖，那麼即使多個協程被喚醒，一次也只會有一個協程判斷是否滿足 condition條件，然後執行後續操作。這樣子就不會出現多個協程同時判斷，導致不滿足條件，也執行後續操作的狀況出現。

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

2.使用場景

2.1 基本說明

sync.Cond是為了協調多個協程之間對共享資料的存取而設計的。使用sync.Cond的場景通常都涉及到對共享資料的操作，如果沒有共享資料的操作，那麼沒有太大必要使用 sync.Cond來進行協調。當然，如果存在重複喚醒的場景，即使沒有共享資料的操作，也是可以使用sync.Cond來進行協調的。

通常情況下，使用sync.Cond的場景為：多個協程需要存取同一份共享數據，需要等待某個條件滿足後才能存取或修改這份共享數據。

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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