源码剖析sync.cond(条件变量的实现机制）

前言

哈喽，大家好，我是asong，这是我并发编程系列的第三篇文章，这一篇我们一起来看看sync.Cond的使用与实现。之前写过java的朋友对等待/通知(wait/notify)机制一定很熟悉，可以利用等待/通知机制实现阻塞或者唤醒，在Go语言使用Cond也可以达到同样的效果，接下来我们一起来看看它的使用与实现。

原文链接：源码剖析sync.cond(条件变量的实现机制）

sync.Cond的基本使用

Go标准库提供了Cond原语，为等待/通知场景下的并发问题提供支持。Cond他可以让一组的Goroutine都在满足特定条件(这个等待条件有很多，可以是某个时间点或者某个变量或一组变量达到了某个阈值，还可以是某个对象的状态满足了特定的条件)时被唤醒，Cond是和某个条件相关，这个条件需要一组goroutine协作共同完成，在条件还没有满足的时候，所有等待这个条件的goroutine都会被阻塞住，只有这一组goroutine通过协作达到了这个条件，等待的goroutine才可以继续进行下去。

先看这样一个例子：

var (
    done = false
    topic = "Golang梦工厂"
)

func main() {
    cond := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
    go Consumer(topic,cond)
    go Consumer(topic,cond)
    go Consumer(topic,cond)
    Push(topic,cond)
    time.Sleep(5 * time.Second)

}

func Consumer(topic string,cond *sync.Cond)  {
    cond.L.Lock()
    for !done{
        cond.Wait()
    }
    fmt.Println("topic is ",topic," starts Consumer")
    cond.L.Unlock()
}

func Push(topic string,cond *sync.Cond)  {
    fmt.Println(topic,"starts Push")
    cond.L.Lock()
    done = true
    cond.L.Unlock()
    fmt.Println("topic is ",topic," wakes all")
    cond.Broadcast()
}
// 运行结果
Golang梦工厂 starts Push
topic is  Golang梦工厂  wakes all
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer
topic is  Golang梦工厂  starts Consumer

上述代码我们运行了4个Goroutine，其中三个Goroutine分别做了相同的事情，通过调用cond.Wait()等特定条件的满足，1个Goroutine会调用cond.Broadcast唤醒所用陷入等待的Goroutine。画个图看一下更清晰：

我们看上面这一段代码，Cond使用起来并不简单，使用不当就出现不可避免的问题，所以，有的开发者会认为，Cond是唯一难以掌握的Go并发原语。为了让大家能更好的理解Cond，接下来我们一起看看Cond的实现原理。

Cond实现原理

Cond的实现还是比较简单的，代码量比较少，复杂的逻辑已经被Locker或者runtime的等待队列实现了，所以我们来看这些源代码也会轻松一些。首先我们来看一下它的结构体：

type Cond struct {
    noCopy noCopy

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

    notify  notifyList
    checker copyChecker
}

主要有4个字段：

• nocopy ：之前在讲waitGroup时介绍过，保证结构体不会在编译器期间拷贝，原因就不在这里说了，想了解的看这篇文章源码剖析sync.WaitGroup(文末思考题你能解释一下吗?)
• checker：用于禁止运行期间发生拷贝，双重检查(Double check)
• L：可以传入一个读写锁或互斥锁，当修改条件或者调用wait方法时需要加锁
• notify：通知链表，调用wait()方法的Goroutine会放到这个链表中，唤醒从这里取。我们可以看一下notifyList的结构：

type notifyList struct {
    wait   uint32
    notify uint32
    lock   uintptr // key field of the mutex
    head   unsafe.Pointer
    tail   unsafe.Pointer
}

我们简单分析一下notifyList的各个字段：

• wait：下一个等待唤醒Goroutine的索引，他是在锁外自动递增的.
• notify：下一个要通知的Goroutine的索引，他可以在锁外读取，但是只能在锁持有的情况下写入.
• head：指向链表的头部
• tail：指向链表的尾部

基本结构我们都知道了，下面我就来看一看Cond提供的三种方法是如何实现的～。

wait

我们先来看一下wait方法源码部分：

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

代码量不多，执行步骤如下：

• 执行运行期间拷贝检查，如果发生了拷贝，则直接panic程序
• 调用runtime_notifyListAdd将等待计数器加一并解锁；
• 调用runtime_notifyListWait等待其他 Goroutine 的唤醒并加锁

runtime_notifyListAdd的实现：

// See runtime/sema.go for documentation.
func notifyListAdd(l *notifyList) uint32 {
    // This may be called concurrently, for example, when called from
    // sync.Cond.Wait while holding a RWMutex in read mode.
    return atomic.Xadd(&l.wait, 1) - 1
}

代码实现比较简单，原子操作将等待计数器加1，因为wait代表的是下一个等待唤醒Goroutine的索引，所以需要减1操作。

runtime_notifyListWait的实现：

// See runtime/sema.go for documentation.
func notifyListWait(l *notifyList, t uint32) {
    lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)

    // Return right away if this ticket has already been notified.
    if less(t, l.notify) {
        unlock(&l.lock)
        return
    }

    // Enqueue itself.
    s := acquireSudog()
    s.g = getg()
    s.ticket = t
    s.releasetime = 0
    t0 := int64(0)
    if blockprofilerate > 0 {
        t0 = cputicks()
        s.releasetime = -1
    }
    if l.tail == nil {
        l.head = s
    } else {
        l.tail.next = s
    }
    l.tail = s
    goparkunlock(&l.lock, waitReasonSyncCondWait, traceEvGoBlockCond, 3)
    if t0 != 0 {
        blockevent(s.releasetime-t0, 2)
    }
    releaseSudog(s)
}

这里主要执行步骤如下：

• 检查当前wait与notify索引位置是否匹配，如果已经被通知了，便立即返回.
• 获取当前Goroutine，并将当前Goroutine追加到链表末端.
• 调用goparkunlock方法让当前Goroutine进入等待状态，也就是进入睡眠，等待唤醒
• 被唤醒后，调用releaseSudog释放当前等待列表中的Goroutine

看完源码我们来总结一下注意事项：

wait方法会把调用者放入Cond的等待队列中并阻塞，直到被唤醒，调用wait方法必须要持有c.L锁。

signal和Broadcast

signal和Broadcast都会唤醒等待队列，不过signal是唤醒链表最前面的Goroutine，Boradcast会唤醒队列中全部的Goroutine。下面我们分别来看一下signal和broadcast的源码：

• signal

func (c *Cond) Signal() {
    c.checker.check()
    runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}
func notifyListNotifyOne(l *notifyList) {
    if atomic.Load(&l.wait) == atomic.Load(&l.notify) {
        return
    }
    lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)
    t := l.notify
    if t == atomic.Load(&l.wait) {
        unlock(&l.lock)
        return
    }

    atomic.Store(&l.notify, t+1)

    for p, s := (*sudog)(nil), l.head; s != nil; p, s = s, s.next {
        if s.ticket == t {
            n := s.next
            if p != nil {
                p.next = n
            } else {
                l.head = n
            }
            if n == nil {
                l.tail = p
            }
            unlock(&l.lock)
            s.next = nil
            readyWithTime(s, 4)
            return
        }
    }
    unlock(&l.lock)
}

上面我们看wait源代码时，每次都会调用都会原子递增wait，那么这个wait就代表当前最大的wait值，对应唤醒的时候，也就会对应一个notify属性，我们在notifyList链表中逐个检查，找到ticket对应相等的notify属性。这里大家肯定会有疑惑，我们为何不直接取链表头部唤醒呢？

notifyList并不是一直有序的，wait方法中调用runtime_notifyListAdd和runtime_notifyListWait完全是两个独立的行为，中间还有释放锁的行为，而当多个 goroutine 同时进行时，中间会产生进行并发操作，这样就会出现乱序，所以采用这种操作即使在 notifyList 乱序的情况下，也能取到最先 Wait 的 goroutine。

• broadcast

func (c *Cond) Broadcast() {
    c.checker.check()
    runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}
func notifyListNotifyAll(l *notifyList) {
    if atomic.Load(&l.wait) == atomic.Load(&l.notify) {
        return
    }

    lockWithRank(&l.lock, lockRankNotifyList)
    s := l.head
    l.head = nil
    l.tail = nil

    atomic.Store(&l.notify, atomic.Load(&l.wait))
    unlock(&l.lock)
    for s != nil {
        next := s.next
        s.next = nil
        readyWithTime(s, 4)
        s = next
    }
}

全部唤醒实现要简单一些，主要是通过调用readyWithTime方法唤醒链表中的goroutine，唤醒顺序也是按照加入队列的先后顺序，先加入的会先被唤醒，而后加入的可能 Goroutine 需要等待调度器的调度。

最后我们总结一下使用这两个方法要注意的问题：

• Signal：允许调用者唤醒一个等待此Cond的Goroutine，如果此时没有等待的 goroutine，显然无需通知 waiter；如果 Cond 等待队列中有一个或者多个等待的 goroutine，则需要从等待队列中移除第一个 goroutine 并把它唤醒。调用 Signal 方法时，不强求你一定要持有 c.L 的锁。
• broadcast：允许调用者唤醒所有等待此 Cond 的 goroutine。如果此时没有等待的 goroutine，显然无需通知 waiter；如果 Cond 等待队列中有一个或者多个等待的 goroutine，则清空所有等待的 goroutine，并全部唤醒，不强求你一定要持有 c.L 的锁。

注意事项

• 调用wait方法的时候一定要加锁，否则会导致程序发生panic.
• wait调用时需要检查等待条件是否满足，也就说goroutine被唤醒了不等于等待条件被满足，等待者被唤醒，只是得到了一次检查的机会而已，推荐写法如下：

//    c.L.Lock()
//    for !condition() {
//        c.Wait()
//    }
//    ... make use of condition ...
//    c.L.Unlock()

• Signal 和 Boardcast 两个唤醒操作不需要加锁

总结

其实Cond在实际项目中被使用的机会比较少，Go特有的channel就可以代替它，暂时只在Kubernetes项目中看到了应用，使用场景是每次往队列中成功增加了元素后就需要调用 Broadcast 通知所有的等待者，使用Cond就很合适，相比channel减少了代码复杂性。

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