Go中多协程协作之sync.Cond

ivansli2021-05-202023-10-31

1. 程序中的通信方式

GO语言中有句名言：“不要用共享内存来通信，而是使用通信来共享内存”。
编程语言中，通信方式分为进程间通信、线程间通信。

进程间通信，常用方式：

有名管道
无名管道
信号
共享内存
消息队列
信号灯集
socket

线程间通信，常用方式：

信号量
互斥锁
条件变量

对于Go语言来说，Go程序启动之后对外是一个进程，内部包含若干协程，协程相当于用户态轻量级线程，所以协程的通信方式大多可以使用线程间通信方式来完成。

协程间通信方式，官方推荐使用channel，channel在一对一的协程之间进行数据交换与通信十分便捷。但是，一对多的广播场景中，则显得有点无力，此时就需要sync.Cond来辅助。

2. 什么是广播？

举个例子，上高中时，宿管老师每天早晨需要叫醒学生们去上课。有两种方法：①一个寝室一个寝室把学生叫醒 ②在宿舍楼安装广播，到起床时间，在广播上叫醒学生。显然，使用广播的方式效率更高。

编程中的广播可以理解为：多个操作流程依赖于一个操作流程完成后才能进行某种动作，这个被依赖的操作流程在唤醒所有依赖者时使用的一种通知方式。

在Go语言中，则可以使用sync.Cond来实现多个协程之间的广播通知功能。

3. sync.Cond

cond是sync包下面的一种数据类型，相当于线程间通信的条件变量方式。

// Cond implements a condition variable, a rendezvous point
// for goroutines waiting for or announcing the occurrence
// of an event.
//
// Each Cond has an associated Locker L (often a *Mutex or *RWMutex),
// which must be held when changing the condition and
// when calling the Wait method.
//
// A Cond must not be copied after first use.
type Cond struct {
	noCopy noCopy  // 在第一次使用后不可复制,使用go vet作为检测使用

	// L is held while observing or changing the condition
        // 根据需求初始化不同的锁，如*Mutex 和 *RWMutex。注意是 指针类型
	L Locker

        // 具有头尾指针的链表。存储被阻塞的协程，通知时操作该链表中的协程
	notify  notifyList
	checker copyChecker  // 复制检查,检查cond实例是否被复制
}

该数据类型提供的方法有：

type Cond
func NewCond(l Locker) *Cond
func (c *Cond) Broadcast() // 通知所有协程，广播
func (c *Cond) Signal()  // 通知一个协程
func (c *Cond) Wait()  // 阻塞等待，直到被唤醒

对应源码追溯

// Wait atomically unlocks c.L and suspends execution
// of the calling goroutine. After later resuming execution,
// Wait locks c.L before returning. Unlike in other systems,
// Wait cannot return unless awoken by Broadcast or Signal.
//
// Because c.L is not locked when Wait first resumes, the caller
// typically cannot assume that the condition is true when
// Wait returns. Instead, the caller should Wait in a loop:
//		
//		注意下面的写法是官方推荐的
//    c.L.Lock()
//    for !condition() {
//        c.Wait()
//    }
//    ... make use of condition ...
//    c.L.Unlock()
//
func (c *Cond) Wait() {
    // 检查c是否是被复制的，如果是就panic
    c.checker.check()
    // 获取等待队列的一个ticket数值，作为唤醒时的一个令牌凭证
    t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)
    // 解锁
    c.L.Unlock()
  
    // 注意，上面的ticket数值会作为阻塞携程的一个标识
    // 加入通知队列里面
    // 到这里执行gopark()，当前协程挂起，直到signal或broadcast发起通知
    runtime_notifyListWait(&c.notify, t)
  
    // 被唤醒之后，先获取锁
    c.L.Lock()
}

// Signal wakes one goroutine waiting on c, if there is any.
//
// It is allowed but not required for the caller to hold c.L
// during the call.
func (c *Cond) Signal() {
    c.checker.check()
    runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)  // 随机挑选一个进行通知，wait阻塞解除
}

// Broadcast wakes all goroutines waiting on c.
//
// It is allowed but not required for the caller to hold c.L
// during the call.
func (c *Cond) Broadcast() {
    c.checker.check()
    // 通知所有阻塞等待的协程
    // 主要是唤醒 cond.notify 链表上的各个协程
    runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}

使用方法，代码示例：

var locker sync.Mutex
var cond = sync.NewCond(&locker)

// NewCond(l Locker)里面定义的是一个接口,拥有lock和unlock方法。
// 看到sync.Mutex的方法,func (m *Mutex) Lock(),可以看到是指针有这两个方法,所以应该传递的是指针
func main() {
    // 启动多个协程
    for i := 0; i < 10; i++ {
        gofunc(x int) {
            cond.L.Lock()          // 获取锁
            defer cond.L.Unlock()  // 释放锁
          
            cond.Wait()   // 等待通知，阻塞当前 goroutine
          
            // 通知到来的时候, cond.Wait()就会结束阻塞, do something. 这里仅打印
            fmt.Println(x)
        }(i)
    }
  
    time.Sleep(time.Second * 1) // 睡眠 1 秒，等待所有 goroutine 进入 Wait 阻塞状态
    fmt.Println("Signal...")
    cond.Signal()               // 1 秒后下发一个通知给已经获取锁的 goroutine
  
    time.Sleep(time.Second * 1)
    fmt.Println("Signal...")
    cond.Signal()               // 1 秒后下发下一个通知给已经获取锁的 goroutine
  
    time.Sleep(time.Second * 1)
    cond.Broadcast()            // 1 秒后下发广播给所有等待的goroutine
    fmt.Println("Broadcast...")
    time.Sleep(time.Second * 1) // 等待所有 goroutine 执行完毕
}