Go之sync.Cond

Posted 2023-01-12 siwluxuefeng

sync.Cond

条件变量是基于互斥锁的，条件变量并不是被用来保护临界区和共享资源的，它是用于协调想要访问共享资源的那些线程的。当共享资源的状态发生变化时，它可以被用来通知被互斥锁阻塞的线程。

条件变量的初始化离不开互斥锁，并且它的方法有的也是基于互斥锁的。

条件变量提供的方法有三个：

等待通知（wait）、在互斥锁下进行；

单发通知（signal）、在互斥锁解锁后进行；

广播通知（broadcast）、在互斥锁解锁后进行；

var mailbox uint8

var lock sync.RWMutex

sendCond := sync.NewCond(&lock)

recvCond := sync.NewCond(lock.RLocker())

变量mailbox代表信箱，是uint8类型的。 若它的值为0则表示信箱中没有情报，而当它的值为1时则说明信箱中有情报。lock是一个类型为sync.RWMutex的变量，是一个读写锁，也可以被视为信箱上的那把锁。

另外，基于这把锁，创建了两个代表条件变量的变量，名字分别叫sendCond和recvCond。 它们都是*sync.Cond类型的，同时也都是由sync.NewCond函数来初始化的。

与sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型不同，sync.Cond类型并不是开箱即用的。我们只能利用sync.NewCond函数创建它的指针值。这个函数需要一个sync.Locker类型的参数值。

条件变量是基于互斥锁的，它必须有互斥锁的支撑才能够起作用。因此，这里的参数值是不可或缺的，它会参与到条件变量的方法实现当中。

sync.Locker其实是一个接口，在它的声明中只包含了两个方法定义，即：Lock()和Unlock()。

sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型都拥有Lock方法和Unlock方法，只不过它们都是指针方法。因此，这两个类型的指针类型才是sync.Locker接口的实现类型。

在为sendCond变量做初始化的时候，把基于lock变量的指针值传给了sync.NewCond函数。原因是，lock变量的Lock方法和Unlock方法分别用于对其中写锁的锁定和解锁，它们与sendCond变量的含义是对应的。sendCond是专门为放置情报而准备的条件变量，向信箱里放置情报，可以被视为对共享资源的写操作。

recvCond变量代表的是专门为获取情报而准备的条件变量。 虽然获取情报也会涉及对信箱状态的改变，但是好在做这件事的人只会有你一个，而且我们也需要借此了解一下，条件变量与读写锁中的读锁的联用方式。所以，在这里，我们暂且把获取情报看做是对共享资源的读操作。

因此，为了初始化recvCond这个条件变量，我们需要的是lock变量中的读锁，并且还需要是sync.Locker类型的。

可是，lock变量中用于对读锁进行锁定和解锁的方法却是RLock和RUnlock，它们与sync.Locker接口中定义的方法并不匹配。sync.RWMutex类型的RLocker方法可以实现这一需求。我们只要在调用sync.NewCond函数时，传入调用表达式lock.RLocker()的结果值，就可以使该函数返回符合要求的条件变量了。

为什么说通过lock.RLocker()得来的值就是lock变量中的读锁呢？实际上，这个值所拥有的Lock方法和Unlock方法，在其内部会分别调用lock变量的RLock方法和RUnlock方法。也就是说，前两个方法仅仅是后两个方法的代理而已。

我们现在有四个变量。一个是代表信箱的mailbox，一个是代表信箱上的锁的lock。还有两个是，代表了蓝帽子小孩儿的sendCond，以及代表了红帽子小孩儿的recvCond。

 

条件变量的Wait方法做了什么？

条件变量的Wait方法主要做了四件事。

1.把调用它的 goroutine（也就是当前的 goroutine）加入到当前条件变量的通知队列中。

2.解锁当前的条件变量基于的那个互斥锁。

3.让当前的 goroutine 处于等待状态，等到通知到来时再决定是否唤醒它。此时，这个 goroutine 就会阻塞在调用这个Wait方法的那行代码上。

4.如果通知到来并且决定唤醒这个 goroutine，那么就在唤醒它之后重新锁定当前条件变量基于的互斥锁。自此之后，当前的 goroutine 就会继续执行后面的代码了。

因为条件变量的Wait方法在阻塞当前的 goroutine 之前，会解锁它基于的互斥锁，所以在调用该Wait方法之前，我们必须先锁定那个互斥锁，否则在调用这个Wait方法时，就会引发一个不可恢复的 panic。

为什么条件变量的Wait方法要这么做呢？你可以想象一下，如果Wait方法在互斥锁已经锁定的情况下，阻塞了当前的 goroutine，那么又由谁来解锁呢？别的 goroutine 吗？

先不说这违背了互斥锁的重要使用原则，即：成对的锁定和解锁，就算别的 goroutine 可以来解锁，那万一解锁重复了怎么办？由此引发的 panic 可是无法恢复的。

如果当前的 goroutine 无法解锁，别的 goroutine 也都不来解锁，那么又由谁来进入临界区，并改变共享资源的状态呢？只要共享资源的状态不变，即使当前的 goroutine 因收到通知而被唤醒，也依然会再次执行这个Wait方法，并再次被阻塞。

所以说，如果条件变量的Wait方法不先解锁互斥锁的话，那么就只会造成两种后果：不是当前的程序因 panic 而崩溃，就是相关的 goroutine 全面阻塞。

if语句只会对共享资源的状态检查一次，而for语句却可以做多次检查，直到这个状态改变为止。那为什么要做多次检查呢？

这主要是为了保险起见。如果一个 goroutine 因收到通知而被唤醒，但却发现共享资源的状态，依然不符合它的要求，那么就应该再次调用条件变量的Wait方法，并继续等待下次通知的到来。

有多个 goroutine 在等待共享资源的同一种状态。比如，它们都在等mailbox变量的值不为0的时候再把它的值变为0，这就相当于有多个人在等着我向信箱里放置情报。虽然等待的 goroutine 有多个，但每次成功的 goroutine 却只可能有一个。条件变量的Wait方法会在当前的 goroutine 醒来后先重新锁定那个互斥锁。在成功的 goroutine 最终解锁互斥锁之后，其他的 goroutine 会先后进入临界区，但它们会发现共享资源的状态依然不是它们想要的。这个时候，for循环就很有必要了。

共享资源可能有的状态不是两个，而是更多。比如，mailbox变量的可能值不只有0和1，还有2、3、4。这种情况下，由于状态在每次改变后的结果只可能有一个，所以，在设计合理的前提下，单一的结果一定不可能满足所有 goroutine 的条件。那些未被满足的 goroutine 显然还需要继续等待和检查。

有一种可能，共享资源的状态只有两个，并且每种状态都只有一个 goroutine 在关注，就像我们在主问题当中实现的那个例子那样。不过，即使是这样，使用for语句仍然是有必要的。原因是，在一些多 CPU 核心的计算机系统中，即使没有收到条件变量的通知，调用其Wait方法的 goroutine 也是有可能被唤醒的。这是由计算机硬件层面决定的，即使是操作系统（比如 Linux）本身提供的条件变量也会如此。

综上所述，在包裹条件变量的Wait方法的时候，我们总是应该使用for语句。

 

条件变量的Signal方法和Broadcast方法有哪些异同？

条件变量的Signal方法和Broadcast方法都是被用来发送通知的，不同的是，前者的通知只会唤醒一个因此而等待的 goroutine，而后者的通知却会唤醒所有为此等待的 goroutine。

条件变量的Wait方法总会把当前的 goroutine 添加到通知队列的队尾，而它的Signal方法总会从通知队列的队首开始，查找可被唤醒的 goroutine。所以，因Signal方法的通知，而被唤醒的 goroutine 一般都是最早等待的那一个。

这两个方法的行为决定了它们的适用场景。如果你确定只有一个 goroutine 在等待通知，或者只需唤醒任意一个 goroutine 就可以满足要求，那么使用条件变量的Signal方法就好了。

否则，使用Broadcast方法总没错，只要你设置好各个 goroutine 所期望的共享资源状态就可以了。

此外，再次强调一下，与Wait方法不同，条件变量的Signal方法和Broadcast方法并不需要在互斥锁的保护下执行。恰恰相反，我们最好在解锁条件变量基于的那个互斥锁之后，再去调用它的这两个方法。这更有利于程序的运行效率。

请注意，条件变量的通知具有即时性。也就是说，如果发送通知的时候没有 goroutine 为此等待，那么该通知就会被直接丢弃。在这之后才开始等待的 goroutine 只可能被后面的通知唤醒。

package sync

import (
	"sync/atomic"
	"unsafe"
)

// 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.

type Cond struct 
	noCopy noCopy

	// L is held while observing or changing the condition
	L Locker

	notify  notifyList
	checker copyChecker


// NewCond returns a new Cond with Locker l.
func NewCond(l Locker) *Cond 
	return &CondL: l

func (c *Cond) Wait() 
	c.checker.check()
	t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)
	c.L.Unlock()
	runtime_notifyListWait(&c.notify, t)
	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)


// 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()
	runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)


// copyChecker holds back pointer to itself to detect object copying.
type copyChecker uintptr

func (c *copyChecker) check() 
	if uintptr(*c) != uintptr(unsafe.Pointer(c)) &&
		!atomic.CompareAndSwapUintptr((*uintptr)(c), 0, uintptr(unsafe.Pointer(c))) &&
		uintptr(*c) != uintptr(unsafe.Pointer(c)) 
		panic("sync.Cond is copied")
	

type noCopy struct

// Lock is a no-op used by -copylocks checker from `go vet`.
func (*noCopy) Lock()