Go并发控制--WaitGroup篇
1. 前言
上一篇介绍了 Go并发控制--Channel
下一篇会介绍 Go并发控制--Context
使用channel来控制子协程的优点是实现简单,缺点是当需要大量创建协程时就需要有相同数量的channel,而且对于子协程继续派生出来的协程不方便控制。
2. 使用WaitGroup控制
WaitGroup,可理解为Wait-Goroutine-Group,即等待一组goroutine结束。比如某个goroutine需要等待其他几个goroutine全部完成,那么使用WaitGroup可以轻松实现。
2.1 使用场景
下面程序展示了一个goroutine等待另外两个goroutine结束的例子:
package main
import (
"fmt"
"time"
"sync"
)
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(2) //设置计数器,数值即为goroutine的个数
go func() {
//Do some work
time.Sleep(1*time.Second)
fmt.Println("Goroutine 1 finished!")
wg.Done() //goroutine执行结束后将计数器减1
}()
go func() {
//Do some work
time.Sleep(2*time.Second)
fmt.Println("Goroutine 2 finished!")
wg.Done() //goroutine执行结束后将计数器减1
}()
wg.Wait() //主goroutine阻塞等待计数器变为0
fmt.Printf("All Goroutine finished!")
}
简单的说,上面程序中wg内部维护了一个计数器:
- 启动goroutine前将计数器通过Add(2)将计数器设置为待启动的goroutine个数。
- 启动goroutine后,使用Wait()方法阻塞自己,等待计数器变为0。
- 每个goroutine执行结束通过Done()方法将计数器减1。
- 计数器变为0后,阻塞的goroutine被唤醒
其实WaitGroup也可以实现一组goroutine等待另一组goroutine,这有点像玩杂技,很容出错,如果不了解其实现原理更是如此。实际上,WaitGroup的实现源码非常简单。
2.2 信号量
信号量是Unix系统提供的一种保护共享资源的机制,用于防止多个线程同时访问某个资源
可简单理解为信号量为一个数值:
- 当信号量>0时,表示资源可用,获取信号量时系统自动将信号量减1;
- 当信号量==0时,表示资源暂不可用,获取信号量时,当前线程会进入睡眠,当信号量为正时被唤醒;
1.3 WaitGroup 数据结构
源码包中src/sync/waitgroup.go:WaitGroup定义了其数据结构:
type WaitGroup struct {
state1 [3]uint32
}
state1是个长度为3的数组,其中包含了state和一个信号量,而state实际上是两个计数器:
- counter: 当前还未执行结束的goroutine计数器
- waiter count: 等待goroutine-group结束的goroutine数量,即有多少个等候者
- semaphore: 信号量
考虑到字节是否对齐,三者出现的位置不同,为简单起见,依照字节已对齐情况下,三者在内存中的位置如下所示:
WaitGroup对外提供三个接口:
- Add(delta int): 将delta值加到counter中
- Wait(): waiter递增1,并阻塞等待信号量semaphore
- Done(): counter递减1,按照waiter数值释放相应次数信号量
下面分别介绍这三个函数的实现细节。
2.3.1 Add () 方法
Add()做了两件事,一是把delta值累加到counter中,因为delta可以为负值,也就是说counter有可能变成0或负值,所以第二件事就是当counter值变为0时,根据waiter数值释放等量的信号量,把等待的goroutine全部唤醒,如果counter变为负值,则panic.
Add()伪代码如下:
func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
statep, semap := wg.state() //获取state和semaphore地址指针
state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32) //把delta左移32位累加到state,即累加到counter中
v := int32(state >> 32) //获取counter值
w := uint32(state) //获取waiter值
if v < 0 { //经过累加后counter值变为负值,panic
panic("sync: negative WaitGroup counter")
}
//经过累加后,此时,counter >= 0
//如果counter为正,说明不需要释放信号量,直接退出
//如果waiter为零,说明没有等待者,也不需要释放信号量,直接退出
if v > 0 || w == 0 {
return
}
//此时,counter一定等于0,而waiter一定大于0(内部维护waiter,不会出现小于0的情况),
//先把counter置为0,再释放waiter个数的信号量
*statep = 0
for ; w != 0; w-- {
runtime_Semrelease(semap, false) //释放信号量,执行一次释放一个,唤醒一个等待者
}
}
2.3.2 Wait()
Wait()方法也做了两件事,一是累加waiter, 二是阻塞等待信号量
func (wg *WaitGroup) Wait() {
statep, semap := wg.state() //获取state和semaphore地址指针
for {
state := atomic.LoadUint64(statep) //获取state值
v := int32(state >> 32) //获取counter值
w := uint32(state) //获取waiter值
if v == 0 { //如果counter值为0,说明所有goroutine都退出了,不需要待待,直接返回
return
}
// 使用CAS(比较交换算法)累加waiter,累加可能会失败,失败后通过for loop下次重试
if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
runtime_Semacquire(semap) //累加成功后,等待信号量唤醒自己
return
}
}
}
这里用到了CAS算法保证有多个goroutine同时执行Wait()时也能正确累加waiter。
2.3.3 Done()
Done()只做一件事,即把counter减1,我们知道Add()可以接受负值,所以Done实际上只是调用了Add(-1)。
源码如下:
func (wg *WaitGroup) Done() {
wg.Add(-1)
}
Done()的执行逻辑就转到了Add(),实际上也正是最后一个完成的goroutine把等待者唤醒的。
2.4 总结
简单说来,WaitGroup通常用于等待一组“工作协程”结束的场景,其内部维护两个计数器,这里把它们称为“工作协程”计数器和“坐等协程”计数器,
WaitGroup对外提供的三个方法分工非常明确:
- Add(delta int)方法用于增加“工作协程”计数,通常在启动新的“工作协程”之前调用;
- Done()方法用于减少“工作协程”计数,每次调用递减1,通常在“工作协程”内部且在临近返回之前调用;
- Wait()方法用于增加“坐等协程”计数,通常在所有”工作协
Done()方法除了负责递减“工作协程”计数以外,还会在“工作协程”计数变为0时检查“坐等协程”计数器并把“坐等协程”唤醒。
需要注意
Done()方法递减“工作协程”计数后,如果“工作协程”计数变成负数时,将会触发panic,这就要求Add()方法调用要早于Done()方法。
也就是说代码中,如果调用Done的次数多于Add的次数会产生painc
当“工作协程”计数多于实际需要等待的“工作协程”数量时,“坐等协程”可能会永远无法被唤醒而产生列锁,此时,Go运行时检测到死锁会触发panic
Add的添加的工作协程的数量,多于Done调用的次数,则会出现panic
当“工作协程”计数小于实际需要等待的“工作协程”数量时,Done()会在“工作协程”计数变为负数时触发panic。
Add()添加的工作协程个数小于Done调用的次数,会出现panic
3. 总结
WaitGroup控制子协程的方式很简单,且目的很明确,等待一组子协程执行完毕再执行主线程,但是当子协程里面有子协程,子协程里面有其他的子协程时,这种并不知道有多少个子协程的情况下使用WaitGroup就很难,所以就需要****Context**上场了
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