Golang 中如何正确使用条件变量 sync.Cond

【导读】sync包中Cond在什么场景下使用？它能解决什么问题？本文对sync.Cond的使用做了详细解读。

Golang的sync包中的Cond实现了一种条件变量，可以使用在多个Reader等待共享资源ready的场景（如果只有一读一写，一个锁或者channel就搞定了）。

Cond的汇合点：多个goroutines等待、1个goroutine通知事件发生。

每个Cond都会关联一个Lock（*sync.Mutex or *sync.RWMutex），当修改条件或者调用Wait方法时，必须加锁，保护condition。

type Cond struct {
        // L is held while observing or changing the condition
        L Locker
        // contains filtered or unexported fields
}

NewCond

func NewCond(l Locker) *Cond

新建一个Cond条件变量。

Broadcast

func (c *Cond) Broadcast()

Broadcast会唤醒所有等待c的goroutine。

调用Broadcast的时候，可以加锁，也可以不加锁。

Signal

func (c *Cond) Signal()

Signal只唤醒1个等待c的goroutine。

调用Signal的时候，可以加锁，也可以不加锁。

Wait

func (c *Cond) Wait()

Wait()会自动释放c.L，并挂起调用者的goroutine。之后恢复执行，Wait()会在返回时对c.L加锁。

除非被Signal或者Broadcast唤醒，否则Wait()不会返回。

由于Wait()第一次恢复时，C.L并没有加锁，所以当Wait返回时，调用者通常并不能假设条件为真。

取而代之的是, 调用者应该在循环中调用Wait。（简单来说，只要想使用condition，就必须加锁。）

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

举个例子

下面这个例子，可以比较好的说明Cond的使用方法。

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
 "time"
)

var sharedRsc = false

func main() {
 var wg sync.WaitGroup
 wg.Add(2)
 m := sync.Mutex{}
 c := sync.NewCond(&m)
 go func() {
  // this go routine wait for changes to the sharedRsc
  c.L.Lock()
  for sharedRsc == false {
   fmt.Println("goroutine1 wait")
   c.Wait()
  }
  fmt.Println("goroutine1", sharedRsc)
  c.L.Unlock()
  wg.Done()
 }()

 go func() {
  // this go routine wait for changes to the sharedRsc
  c.L.Lock()
  for sharedRsc == false {
   fmt.Println("goroutine2 wait")
   c.Wait()
  }
  fmt.Println("goroutine2", sharedRsc)
  c.L.Unlock()
  wg.Done()
 }()

 // this one writes changes to sharedRsc
 time.Sleep(2 * time.Second)
 c.L.Lock()
 fmt.Println("main goroutine ready")
 sharedRsc = true
 c.Broadcast()
 fmt.Println("main goroutine broadcast")
 c.L.Unlock()
 wg.Wait()
}

执行结果如下。

goroutine1 wait
goroutine2 wait
main goroutine ready
main goroutine broadcast
goroutine2 true
goroutine1 true

goroutine1和goroutine2进入Wait状态，在main goroutine在2s后资源满足，发出broadcast信号后，从Wait中恢复并判断条件是否确实已经满足(sharedRsc不为空)，满足则消费条件，并解锁、wg.Done()。

修改1

我们做个修改，删除main goroutine中的2s延时。

执行结果如下。

main goroutine ready
main goroutine broadcast
goroutine2 true
goroutine1 true

很有意思，两个goroutine都没有进入Wait状态。

原因是，main goroutine执行的更快，在goroutine1/goroutine2加锁之前就已经获得了锁，并完成了修改sharedRsc、发出Broadcast信号。

当子goroutine调用Wait之前检验condition时，条件已经满足，因此就没有必要再去调用Wait了。

修改2

如果我们在子goroutine中不做校验呢？

我们会得到1个死锁。

main goroutine ready
main goroutine broadcast
goroutine2 wait
goroutine1 true
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [semacquire]:
sync.runtime_Semacquire(0x414028, 0x19)
 /usr/local/go/src/runtime/sema.go:56 +0x40
sync.(*WaitGroup).Wait(0x414020, 0x40c108)
 /usr/local/go/src/sync/waitgroup.go:130 +0x60
main.main()
 /tmp/sandbox947808816/prog.go:44 +0x2c0

goroutine 6 [sync.Cond.Wait]:
runtime.goparkunlock(...)
 /usr/local/go/src/runtime/proc.go:307
sync.runtime_notifyListWait(0x43e268, 0x0)
 /usr/local/go/src/runtime/sema.go:510 +0x120
sync.(*Cond).Wait(0x43e260, 0x40c108)
 /usr/local/go/src/sync/cond.go:56 +0xe0
main.main.func2(0x43e260, 0x414020)
 /tmp/sandbox947808816/prog.go:31 +0xc0
created by main.main
 /tmp/sandbox947808816/prog.go:27 +0x140

为什么呢？

main goroutine（goroutine 1）先执行，并停留在 wg.Wait()中，等待子goroutine的wg.Done()；而子goroutine（goroutine 6）没有判断条件直接调用了cond.Wait。

我们知道cond.Wait会释放锁并等待其他goroutine调用Broadcast或者Signal来通知其恢复执行，除此之外没有其他的恢复途径。但此时main goroutine已经调用了Broadcast并进入了等待状态，没有任何goroutine会去拯救还在cond.Wait中的子goroutine了，而该子goroutine也没有机会调用wg.Done()去恢复main goroutine，造成了死锁。

因此，一定要注意，Broadcast必须要在所有的Wait之后（当然了，可以通过条件判断来决定要不要进Wait）。

一个真实的例子

我们来看看k8s中使用Cond实现的FIFO，它是如何处理条件的消费的。

func (f *FIFO) Pop(process PopProcessFunc) (interface{}, error) {
 f.lock.Lock()
 defer f.lock.Unlock()
 for {
  for len(f.queue) == 0 {
   // When the queue is empty, invocation of Pop() is blocked until new item is enqueued.
   // When Close() is called, the f.closed is set and the condition is broadcasted.
   // Which causes this loop to continue and return from the Pop().
   if f.IsClosed() {
    return nil, FIFOClosedError
   }

   f.cond.Wait()
  }
  id := f.queue[0]
    f.queue = f.queue[1:]
    ...
 }
}

func NewFIFO(keyFunc KeyFunc) *FIFO {
 f := &FIFO{
  items:   map[string]interface{}{},
  queue:   []string{},
  keyFunc: keyFunc,
 }
 f.cond.L = &f.lock
 return f
}

Cond共用了FIFO的lock，在Pop时，会先加锁 f.lock.Lock()，而在f.cond.Wait()前，会先检查len(f.queue)是否为0，防止2种情况：

如上面的例子3，条件已经满足，不需要wait 唤醒时满足，但被其他goroutine捷足先登，阻塞在f.lock的加锁中；当获得了锁，加锁成功以后，f.queue已经被消费为空，直接访问f.queue[0]会访问越界。

转自：伊布

ieevee.com/tech/2019/06/15/cond.html