Golang中的sync.Cond怎么使用

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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的场景为：多个协程需要访问同一份共享数据，需要等待某个条件满足后才能访问或修改这份共享数据。

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 mainimport (        "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 mainimport (    "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 = 0fatal 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 mainimport (    "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()

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