Go sync.Once：简约而不简单的并发利器

简介

在某些场景下，我们需要初始化一些资源，例如单例对象、配置等。实现资源的初始化有多种方法，如定义 package 级别的变量、在 init 函数中进行初始化，或者在 main 函数中进行初始化。这三种方式都能确保并发安全，并在程序启动时完成资源的初始化。

然而，有时我们希望采用延迟初始化的方式，在我们真正需要资源的时候才进行初始化，这种需要确保并发安全，在这种情况下，Go 语言中的 sync.Once 提供一个优雅且并发安全的解决方案，本文将对其进行介绍。

sync.Once 基本概念

什么是 sync.Once

sync.Once 是 Go 语言中的一种同步原语，用于确保某个操作或函数在并发环境下只被执行一次。它只有一个导出的方法，即 Do，该方法接收一个函数参数。在 Do 方法被调用后，该函数将被执行，而且只会执行一次，即使在多个协程同时调用的情况下也是如此。

sync.Once 的应用场景

sync.Once 主要用于以下场景：

单例模式：确保全局只有一个实例对象，避免重复创建资源。
延迟初始化：在程序运行过程中需要用到某个资源时，通过 sync.Once 动态地初始化该资源。
只执行一次的操作：例如只需要执行一次的配置加载、数据清理等操作。

sync.Once 应用实例

单例模式

在单例模式中，我们需要确保一个结构体只被初始化一次。使用 sync.Once 可以轻松实现这一目标。

go 复制代码

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

type Singleton struct{}

var (
   instance *Singleton
   once     sync.Once
)

func GetInstance() *Singleton {
   once.Do(func() {
      instance = &Singleton{}
   })
   return instance
}

func main() {
   var wg sync.WaitGroup

   for i := 0; i < 5; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         s := GetInstance()
         fmt.Printf("Singleton instance address: %p\n", s)
      }()
   }

   wg.Wait()
}

上述代码中，GetInstance 函数通过 once.Do() 确保 instance 只会被初始化一次。在并发环境下，多个协程同时调用 GetInstance 时，只有一个协程会执行 instance = &Singleton{}，所有协程得到的实例 s 都是同一个。

延迟初始化

有时候希望在需要时才初始化某些资源。使用 sync.Once 可以实现这一目标。

go 复制代码

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

type Config struct {
   config map[string]string
}

var (
   config *Config
   once   sync.Once
)

func GetConfig() *Config {
   once.Do(func() {
      fmt.Println("init config...")
      config = &Config{
         config: map[string]string{
            "c1": "v1",
            "c2": "v2",
         },
      }
   })
   return config
}

func main() {
   // 第一次需要获取配置信息，初始化 config
   cfg := GetConfig()
   fmt.Println("c1: ", cfg.config["c1"])

   // 第二次需要，此时 config 已经被初始化过，无需再次初始化
   cfg2 := GetConfig()
   fmt.Println("c2: ", cfg2.config["c2"])
}

在这个示例中，定义了一个 Config 结构体，它包含一些设置信息。使用 sync.Once 来实现 GetConfig 函数，该函数在第一次调用时初始化 Config。这样，我们可以在真正需要时才初始化 Config，从而避免不必要的开销。

sync.Once 实现原理

go 复制代码

type Once struct {
   // 表示是否执行了操作
   done uint32
   // 互斥锁，确保多个协程访问时，只能一个协程执行操作
   m    Mutex
}

func (o *Once) Do(f func()) {
   // 判断 done 的值，如果是 0，说明 f 还没有被执行过
   if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
      // 构建慢路径(slow-path)，以允许对 Do 方法的快路径(fast-path)进行内联
      o.doSlow(f)
   }
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
   // 加锁
   o.m.Lock()
   defer o.m.Unlock()
   // 双重检查，避免 f 已被执行过
   if o.done == 0 {
      // 修改 done 的值
      defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
      // 执行函数
      f()
   }
}

sync.Once 结构体包含两个字段：done 和 mu。done 是一个 uint32 类型的变量，用于表示操作是否已经执行过；m 是一个互斥锁，用于确保在多个协程访问时，只有一个协程能执行操作。

sync.Once 结构体包含两个方法：Do 和 doSlow。Do 方法是其核心方法，它接收一个函数参数 f。首先它会通过原子操作atomic.LoadUint32（保证并发安全）检查 done 的值，如果为 0，表示 f 函数没有被执行过，然后执行 doSlow 方法。

在 doSlow 方法里，首先对互斥锁 m 进行加锁，确保在多个协程访问时，只有一个协程能执行 f 函数。接着再次检查 done 变量的值，如果 done 的值仍为 0，说明 f 函数没有被执行过，此时执行 f 函数，最后通过原子操作 atomic.StoreUint32 将 done 变量的值设置为 1。

为什么会封装一个 doSlow 方法

doSlow 方法的存在主要是为了性能优化。将慢路径（slow-path）代码从 Do 方法中分离出来，使得 Do 方法的快路径（fast-path）能够被内联（inlined），从而提高性能。

为什么会有双重检查（double check）的写法

从源码可知，存在两次对 done 的值的判断。

第一次检查 ：在获取锁之前，先使用原子加载操作 atomic.LoadUint32 检查 done 变量的值，如果 done 的值为 1，表示操作已执行，此时直接返回，不再执行 doSlow 方法。这一检查可以避免不必要的锁竞争。
第二次检查 ：获取锁之后，再次检查 done 变量的值，这一检查是为了确保在当前协程获取锁期间，其他协程没有执行过 f 函数。如果 done 的值仍为 0，表示 f 函数没有被执行过。

通过双重检查，可以在大多数情况下避免锁竞争，提高性能。

加强的 sync.Once

sync.Once 提供的 Do 方法并没有返回值，意味着如果我们传入的函数如果发生 error 导致初始化失败，后续调用 Do 方法也不会再初始化。为了避免这个问题，我们可以实现一个类似 sync.Once 的并发原语。

go 复制代码

package main

import (
   "sync"
   "sync/atomic"
)


type Once struct {
   done uint32
   m    sync.Mutex
}

func (o *Once) Do(f func() error) error {
   if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
      return o.doSlow(f)
   }
   return nil
}

func (o *Once) doSlow(f func() error) error {
   o.m.Lock()
   defer o.m.Unlock()
   var err error
   if o.done == 0 {
      err = f()
      // 只有没有 error 的时候，才修改 done 的值
      if err == nil {
         atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
      }
   }
   return err
}

上述代码实现了一个加强的 Once 结构体。与标准的 sync.Once 不同，这个实现允许 Do 方法的函数参数返回一个 error。如果执行函数没有返回 error，则修改 done 的值以表示函数已执行。这样，在后续的调用中，只有在没有发生 error 的情况下，才会跳过函数执行，避免初始化失败。

sync.Once 的注意事项

死锁

通过分析 sync.Once 的源码，可以看到它包含一个名为 m 的互斥锁字段。当我们在 Do 方法内部重复调用 Do 方法时，将会多次尝试获取相同的锁。但是 mutex 互斥锁并不支持可重入操作，因此这将导致死锁现象。

go 复制代码

func main() {
   once := sync.Once{}
   once.Do(func() {
      once.Do(func() {
         fmt.Println("init...")
      })
   })
}

初始化失败

这里的初始化失败指的是在调用 Do 方法之后，执行 f 函数的过程中发生 error，导致执行失败，现有的 sync.Once 设计我们是无法感知到初始化的失败的，为了解决这个问题，我们可以实现一个类似 sync.Once 的加强 once，前面的内容已经提供了具体实现。

小结

本文详细介绍了 Go 语言中的 sync.Once，包括它的基本定义、使用场景和应用实例以及源码分析等。在实际开发中，sync.Once 经常被用于实现单例模式和延迟初始化操作。

虽然 sync.Once 简单而又高效，但是错误的使用可能会造成一些意外情况，需要格外小心。

总之，sync.Once 是 Go 中非常实用的一个并发原语，可以帮助开发者实现各种并发场景下的安全操作。如果遇到只需要初始化一次的场景，sync.Once 是一个非常好的选择。