Go并发控制WaitGroup浅析

阅读《Go专家编程》所做笔记

前言

WaitGroup是Golang应用开发过程中经常使用的并发控制技术。

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。

举例

下面程序展示了一个goroutine等待另外两个goroutine结束的例子:

go 复制代码
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:

  1. 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。
  2. 启动goroutine后,使用Wait()方法阻塞自己,等待计数器变为0。
  3. 每个goroutine执行结束通过Done()方法将计数器减1。
  4. 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。

基础知识

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;

ps:注意:信号量只能以1为单位递增,且每次递增时只会唤醒一个处于阻塞状态的线程。

由于WaitGroup实现中也使用了信号量,在此做个简单介绍。

WaitGroup

数据结构

源码包中src/sync/waitgroup.go:WaitGroup定义了其数据结构:

ate1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(ps:两个计数器和一个信号量):

  • 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

ps:感觉这里写的非常好,不看代码,也可以猜想一个大概的执行流程。假如调用 Add(2),也就是counter 增加到 2,表示有两个任务需要执行。另一协程调用 Wait()waiter 递增 1,当前协程进入阻塞状态(因为semaphore初始为0,所以当前携程睡眠)。其他协程完成任务后调用 Done()counter 递减。当 counter 为 0 时,循环 waiter 次释放信号量,唤醒所有等待的协程。

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:

go 复制代码
func (wg *WaitGroup) Done() {
    wg.Add(-1)
}

Wait()

Wait()方法也做了两件事,一是累加waiter, 二是阻塞等待信号量

go 复制代码
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。

Add(delta int)

Add()做了两件事,一是把delta值累加到counter中,因为delta可以为负值(ps:因为Done),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:

go 复制代码
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
    }
}

ps:为了方便理解,我画了个图

参考:

Go专家编程

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