Go 语言中 sync 包的近距离观察

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让我们来看看负责提供同步原语的 Go 包:sync

sync.Mutex

sync.Mutex 可能是 sync 包中被广泛使用的原语。它允许对共享资源进行互斥操作(即不允许同时访问):

mutex := &sync.Mutex{}mutex.Lock()
// Update shared variable (e.g. slice, pointer on a structure, etc.)
mutex.Unlock()

必须指出的是 sync.Mutex 无法被复制(就像 sync 包中的所有其他原语一样)。如果一个结构体有一个 sync 字段,必须通过指针进行传递

sync.RWMutex

sync.RWMutex 是一个读写锁。它提供了与我们刚刚看到的 Lock()Unlock() 相同的方法(因为这两个结构都实现了 sync.Locker 接口)。然而,它还允许使用 RLock()RUnlock() 方法进行并发读取:

mutex := &sync.RWMutex{}mutex.Lock()
// Update shared variable
mutex.Unlock()mutex.RLock()
// Read shared variable
mutex.RUnlock()

一个 sync.RWMutex 允许至少一个读取者正好一个写入者,而一个 sync.Mutex 则允许正好一个读取者或写入者。

让我们运行一个快速的基准测试来比较这些方法:

func BenchmarkMutexLock(b *testing.B) {m := sync.Mutex{}for i := 0; i < b.N; i++ {m.Lock()m.Unlock()}
}
func BenchmarkRWMutexLock(b *testing.B) {m := sync.RWMutex{}for i := 0; i < b.N; i++ {m.Lock()m.Unlock()}
}func BenchmarkRWMutexRLock(b *testing.B) {m := sync.RWMutex{}for i := 0; i < b.N; i++ {m.RLock()m.RUnlock()}
}
BenchmarkMutexLock-4       83497579         17.7 ns/op
BenchmarkRWMutexLock-4     35286374         44.3 ns/op
BenchmarkRWMutexRLock-4    89403342         15.3 ns/op

正如我们注意到的那样,读取锁定/解锁 sync.RWMutex 比锁定/解锁 sync.Mutex 更快。另一方面,调用 Lock()/Unlock()sync.RWMutex 上是最慢的操作。

总的来说,当我们有频繁的读取和不经常的写入时,应该使用 sync.RWMutex

sync.WaitGroup

sync.WaitGroup 也经常被使用。它是一个 goroutine 等待一组 goroutine 完成的惯用方式。

sync.WaitGroup 拥有一个内部计数器。如果这个计数器等于 0,Wait() 方法会立即返回。否则,它会被阻塞,直到计数器变为 0。

要增加计数器,我们可以使用 Add(int) 方法。要减少计数器,可以使用 Done()(将计数器减 1)或者使用带有负值的相同的 Add(int) 方法。

在以下示例中,我们将启动八个 goroutine 并等待它们完成:

wg := &sync.WaitGroup{}for i := 0; i < 8; i++ {wg.Add(1)go func() {// Do somethingwg.Done()}()
}wg.Wait()
// Continue execution

每次我们创建一个 goroutine 时,都会使用 wg.Add(1) 来增加 wg 的内部计数器。我们也可以在 for 循环外部调用 wg.Add(8)

与此同时,每当一个 goroutine 完成时,它会使用 wg.Done() 来减少 wg 的内部计数器。

一旦执行了八个 wg.Done() 语句,主 goroutine 就会继续执行。

sync.Map

sync.Map 是 Go 中的一个并发版本的 map,我们可以:

  • 使用 Store(interface{}, interface{}) 添加元素
  • 使用 Load(interface) interface{} 检索元素
  • 使用 Delete(interface{}) 删除元素
  • 使用 LoadOrStore(interface{}, interface{}) (interface, bool) 检索或添加元素(如果之前不存在)。返回的 bool 值为 true 表示在操作前键存在于 map 中。
  • 使用 Range 在元素上进行迭代
m := &sync.Map{}// Put elements
m.Store(1, "one")
m.Store(2, "two")// Get element 1
value, contains := m.Load(1)
if contains {fmt.Printf("%s\n", value.(string))
}// Returns the existing value if present, otherwise stores it
value, loaded := m.LoadOrStore(3, "three")
if !loaded {fmt.Printf("%s\n", value.(string))
}// Delete element 3
m.Delete(3)// Iterate over all the elements
m.Range(func(key, value interface{}) bool {fmt.Printf("%d: %s\n", key.(int), value.(string))return true
})

Go 在线测试: https://play.golang.org/p/BO8IDVIDwsr

one
three
1: one
2: two

正如你所看到的,Range 方法接受一个 func(key, value interface{}) bool 函数作为参数。如果我们返回 false,则迭代会停止。有趣的是,即使我们在恒定时间之后返回 false(更多信息),最坏情况下的时间复杂度仍然保持为 O(n)。

何时应该使用 sync.Map 而不是在经典的 map 上加 sync.Mutex 呢?

  • 当我们有频繁读取和不经常写入时(与 sync.RWMutex 类似)
  • 多个 goroutine 为不相交的键集合读取、写入和覆盖条目。这具体意味着什么?例如,如果我们有一个分片实现,有 4 个 goroutine 每个负责 25% 的键(没有冲突)。在这种情况下,sync.Map 也是首选。

sync.Pool

sync.Pool 是一个并发池,负责安全地保存一组对象

其公共方法包括:

  • Get() interface{} 用于检索一个元素
  • Put(interface{}) 用于添加一个元素
pool := &sync.Pool{}pool.Put(NewConnection(1))
pool.Put(NewConnection(2))
pool.Put(NewConnection(3))connection := pool.Get().(*Connection)
fmt.Printf("%d\n", connection.id)
connection = pool.Get().(*Connection)
fmt.Printf("%d\n", connection.id)
connection = pool.Get().(*Connection)
fmt.Printf("%d\n", connection.id)
1
3
2

值得注意的是,就顺序而言是没有保证的。Get 方法指定它从池中获取一个任意的项目。

也可以指定一个创建方法:

pool := &sync.Pool{New: func() interface{} {return NewConnection()},
}connection := pool.Get().(*Connection)

每次调用 Get() 时,它将返回由传递给 pool.New 的函数创建的对象(在本例中是一个指针)。

何时应该使用 sync.Pool 呢?有两种情况:

第一种情况是当我们需要重用共享且长期存在的对象时,比如一个数据库连接。

第二种情况是优化内存分配

让我们考虑一个函数的示例,该函数将数据写入缓冲区并将结果持久化到文件中。使用 sync.Pool,我们可以重复使用分配给缓冲区的空间,跨不同的函数调用重复使用同一个对象。

第一步是检索先前分配的缓冲区(或者如果是第一次调用,则创建一个,但这已经被抽象化了)。然后,延迟操作是将缓冲区放回池中。

func writeFile(pool *sync.Pool, filename string) error {// Gets a buffer objectbuf := pool.Get().(*bytes.Buffer)// Returns the buffer into the pooldefer pool.Put(buf)// Reset buffer otherwise it will contain "foo" during the first call// Then "foofoo" etc.buf.Reset()buf.WriteString("foo")return ioutil.WriteFile(filename, buf.Bytes(), 0644)
}

sync.Pool 还有一个要提到的重要点。由于指针可以被放入 Get() 返回的接口值中,无需进行任何分配,因此最好将指针放入池中而不是结构体。

这样,我们既可以有效地重用已分配的内存,又可以减轻垃圾收集器的压力,因为如果变量逃逸到堆上,它就不需要再次分配内存。

sync.Once

sync.Once 是一个简单而强大的原语,用于确保一个函数只被执行一次

在这个例子中,将只有一个 goroutine 显示输出消息:

once := &sync.Once{}
for i := 0; i < 4; i++ {i := igo func() {once.Do(func() {fmt.Printf("first %d\n", i)})}()
}

我们使用了 Do(func()) 方法来指定只有这部分代码必须被执行一次。

sync.Cond

让我们以最可能最少使用的原语 sync.Cond 结束。

它用于向 goroutine 发出信号(一对一)或向 goroutine(s) 广播信号(一对多)。

假设我们有一个场景,需要通知一个 goroutine 共享切片的第一个元素已被更新。

创建一个 sync.Cond 需要一个 sync.Locker 对象(可以是 sync.Mutexsync.RWMutex):

cond := sync.NewCond(&sync.RWMutex{})

接下来,让我们编写一个函数来显示切片的第一个元素:

func printFirstElement(s []int, cond *sync.Cond) {cond.L.Lock()cond.Wait()fmt.Printf("%d\n", s[0])cond.L.Unlock()
}

正如你所看到的,我们可以使用 cond.L 来访问内部互斥锁。一旦锁被获取,我们调用 cond.Wait(),它会阻塞直到收到信号。

现在回到主 goroutine。我们将通过传递一个共享切片和之前创建的 sync.Cond 来创建一个 printFirstElement 池。然后,我们调用一个 get() 函数,将结果存储在 s[0] 中并发出一个信号:

s := make([]int, 1)
for i := 0; i < runtime.NumCPU(); i++ {go printFirstElement(s, cond)
}i := get()
cond.L.Lock()
s[0] = i
cond.Signal()
cond.L.Unlock()

这个信号将解除一个创建的 goroutine 的阻塞状态,它将显示 s[0]

然而,如果我们退一步来看,我们可能会认为我们的代码可能违反了 Go 最基本的原则之一:

不要通过共享内存来通信;相反,通过通信来共享内存。

事实上,在这个例子中,最好使用一个通道来传递 get() 返回的值。

然而,我们也提到了 sync.Cond 还可以用于广播信号

让我们修改上一个示例的结尾,将 Signal() 改为 Broadcast()

i := get()
cond.L.Lock()
s[0] = i
cond.Broadcast()
cond.L.Unlock()

在这种情况下,所有的 goroutine 都会被触发。

众所周知,通道元素只会被一个 goroutine 捕获。唯一模拟广播的方式是关闭一个通道,但这不能重复使用。因此,尽管 颇具争议,这无疑是一个有趣的特性。

还有一个值得提及的 sync.Cond 使用场景,也许是最重要的一个:

示例的 Go Playground 地址:https://play.golang.org/p/ap5qXF5DAg5

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