内容简介:-- 引用自上一期中,我们介绍了想象一个场景:我们有一个用户画像服务,当一个请求到来时,需要
一、前言
Go语言在设计上对同步(Synchronization,数据同步和线程同步)提供大量的支持,比如 goroutine和channel同步原语,库层面有 - sync:提供基本的同步原语(比如Mutex、RWMutex、Locker)和 工具 类(Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map) - sync/atomic:提供变量的原子操作(基于硬件指令 compare-and-swap)
-- 引用自 《Golang package sync 剖析(一): sync.Once》
上一期中,我们介绍了 sync.Once
如何保障 exactly once
语义,本期文章我们介绍 package sync
下的另一个工具类: sync.WaitGroup
。
二、为什么需要 WaitGroup
?
想象一个场景:我们有一个用户画像服务,当一个请求到来时,需要
- 从 request 里解析出 user_id 和 画像维度参数
- 根据 user_id 从 ABCDE 五个子服务(数据库服务、存储服务、rpc服务等)拉取不同维度的信息
- 将读取的信息进行整合,返回给调用方
假设 ABCDE 五个服务的响应时间 p99 是 20~50ms 之间。如果我们顺序调用 ABCDE 读取信息,不考虑数据整合消耗时间,服务端整体响应时间 p99 是:
sum(A, B, C, D, E) => [100ms, 250ms]
先不说业务上能不能接受,响应时间上显然有很大的优化空间。最直观的优化方向就是,取数逻辑的总时间消耗:
sum(A, B, C, D, E) -> max(A, B, C, D, E)
具体到 coding 上,我们需要并行调用 ABCDE 五个子服务,待调用 全部 返回以后,进行数据整合。如何保障 全部
返回呢?
此时, sync.WaitGroup
闪耀登场。
三、 WaitGroup
用法
官方文档对 WaitGroup 的描述是: 一个 WaitGroup 对象可以等待一组协程结束
。使用方法是:
wg.Add(delta int) wg.Done() wg.Wait()
这里先看一个典型的例子:
// src/cmd/compile/internal/ssa/gen/main.go func main() { // 省略部分代码 ... var wg sync.WaitGroup for _, task := range tasks { task := task wg.Add(1) go func() { task() wg.Done() }() } wg.Wait() // 省略部分代码... }
这个例子具备了 WaitGroup
正确使用的大部分要素,包括:
-
wg.Done
必须在 所有wg.Add
之后执行,所以要保证两个函数都在main协程中调用; -
wg.Done
在 worker协程里调用,尤其要保证调用一次,不能因为 panic 或任何原因导致没有执行(建议使用defer wg.Done()
); -
wg.Done
和wg.Wait
在时序上是没有先后。
细心的朋友可能会发现一行非常诡异的代码:
task := task
Go 对 array/slice 进行遍历时,runtime 会把 task[i]
拷贝到 task
的内存地址,下标 i
会变,而 task
的内存地址不会变。如果不进行这次赋值操作,所有 goroutine 可能读到的都是最后一个task。为了让大家有一个直观的感觉,我们用下面这段代码做实验:
package main import ( "fmt" "unsafe" ) func main() { tasks := []func(){ func() { fmt.Printf("1. ") }, func() { fmt.Printf("2. ") }, } for idx, task := range tasks { task() fmt.Printf("遍历 = %v, ", unsafe.Pointer(&task)) fmt.Printf("下标 = %v, ", unsafe.Pointer(&tasks[idx])) task := task fmt.Printf("局部变量 = %v\\n", unsafe.Pointer(&task)) } }
这段代码的打印结果是:
1. 遍历 = 0x40c140, 下标 = 0x40c138, 局部变量 = 0x40c150 2. 遍历 = 0x40c140, 下标 = 0x40c13c, 局部变量 = 0x40c158
不同机器上执行打印结果有所不同,但共同点是:
- 遍历时,数据的内存地址不变
- 通过下标取数时,内存地址不同
- for-loop 内创建的局部变量,即便名字相同,内存地址也不会复用
使用 WaitGroup
时,除了上面提到的注意事项,还需要解决数据回收和异常处理的问题。这里我们也提供两种方式供参考:
- 对于 rpc 调用,可以通过 data channel 和 error channel 搜集信息,或者二合一的channel
- 共享变量,比如加锁的 map
四、 WaitGroup
实现
在讨论这个主题之前,建议读者先思考一下:如果让你去实现 WaitGroup
,你会怎么做?
锁?肯定不行!
信号量?怎么实现?
------------切入正题------------
在 Go 源码里, WaitGroup
在逻辑上包含:
- worker 计数器:main协程调用
wg.Add(delta int)
时增加delta
,调用wg.Done
时减一。 - waiter 计数器:调用
wg.Wait
时,计数器加一; worker计数器降低到0时,重置waiter计数器 。 - 信号量:用于阻塞 main协程。调用
wg.Wait
时,通过runtime_Semacquire
获取信号量;降低 waiter 计数器时,通过runtime_Semrelease
释放信号量。
为了便于演示,我们魔改一下上面的例子:
package main import ( "fmt" "sync" "time" ) func main() { tasks := []func(){ func() { time.Sleep(time.Second); fmt.Println("1 sec later") }, func() { time.Sleep(time.Second * 2); fmt.Println("2 sec later") }, } var wg sync.WaitGroup // 1-1 wg.Add(len(tasks)) // 1-2 for _, task := range tasks { task := task go func() { // 1-3-1 defer wg.Done() // 1-3-2 task() // 1-3-3 }() // 1-3-1 } wg.Wait() // 1-4 fmt.Println("exit") }
上面这段代码中,
- 1-1 创建一个
WaitGroup
对象,worker计数器和waiter计数器默认值均为0。 - 1-2 设置 worker计数器为
len(tasks)
。 - 1-3-1 创建 worker协程,并启动任务。
- 1-4 设置 waiter计数器,获取信号量,main协程被阻塞。
-
1-3-3 中执行结束后,1-3-2 降低worker计数器。当worker计数器降低到0时,
wg.Wait
尽管 Add(delta int)
里 delta 可以是正数、0、负数。我们在使用时, delta
总是正数。
wg.Done
等价于 wg.Add(-1)
。在本文中,我们提到 wg.Add
时,默认 delta > 0
。
了解了 WaitGroup
的原理以后,我们看下它的源码。为了便于理解,我只保留了核心逻辑。对于这部分逻辑,我们分三部分讲解:
-
WaitGroup
结构 -
Add
和Done
-
Wait
提示:如果只想了解 WaitGroup 的正确用法,本文读到这儿就足够了。对底层有兴趣的朋友可以继续读,不过最好打开IDE,参考源码一起读。
4.1 WaitGroup 结构
type WaitGroup struct { noCopy noCopy state1 [3]uint32 }
WaitGroup
结构体里有 noCopy
和 state1
两个字段。
编译代码时, go vet
工具会检查 noCopy
字段,避免 WaitGroup
对象被拷贝。
state1
字段比较秀,在逻辑上它包含了 worker计数器、waiter计数器和信号量。具体如何读这三个变量,参考下面代码:
// state returns pointers to the state and sema fields stored within wg.state1. func (wg *WaitGroup) state() (statep *uint64, semap *uint32) { if uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 { return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2] } else { return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1[1])), &wg.state1[0] } } // 读取计数器和信号量 statep, semap := wg.state() state := atomic.LoadUint64(statep) v := int32(state >> 32) w := uint32(state)
三个变量的取数逻辑是:
- worker计数器:
v
是statep *uint64
的左32位
- waiter计数器:
w
是statep *uint64
的右32位
- 信号量:
semap
是state1 [3]uint32
的第一个字节/最后一个字节
所以,更新worker计数器,需要这样做:
state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
更新waiter计数器,需要这样做:
statep, semap := wg.state() for { state := atomic.LoadUint64(statep) if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) { // 忽略其他逻辑 return } }
细心的朋友可能会发现,worker计数器的更新是直接累加,而 waiter计数器的更新是 CompareAndSwap。这是因为在 main协程中执行 wg.Add
时,只有main协程对 state1
做修改;而 wg.Wait
中修改waiter计数器时,可能有很多个协程在更新 state1
。如果你还不太理解这段话,不妨先往下走,了解 wg.Add
和 wg.Wait
的细节之后再回头看。
4.2 Add 和 Done
wg.Add
操作的核心逻辑比较简单,即修改 worker计数器,根据worker计数器的状态进行后续操作。简化版的代码如下:
func (wg *WaitGroup) Add(delta int) { statep, semap := wg.state() // 1. 修改worker计数器 state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32) v := int32(state >> 32) w := uint32(state) if v < 0 { panic("sync: negative WaitGroup counter") } if w != 0 && delta > 0 && v == int32(delta) { panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait") } // 2. 判断计数器 if v > 0 || w == 0 { return } // 3. 当 worker计数器降低到0时 // 重置 waiter计数器,并释放信号量 *statep = 0 for ; w != 0; w-- { runtime_Semrelease(semap, false) } } func (wg *WaitGroup) Done() { wg.Add(-1) }
4.3 Wait
wg.Wait
的逻辑是修改waiter计数器,并等待信号量被释放。简化版的代码如下:
func (wg *WaitGroup) Wait() { statep, semap := wg.state() for { // 1. 读取计数器 state := atomic.LoadUint64(statep) v := int32(state >> 32) w := uint32(state) if v == 0 { return } // 2. 增加waiter计数器 if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) { // 3. 获取信号量 runtime_Semacquire(semap) if *statep != 0 { panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned") } // 4. 信号量获取成功 return } } }
由于源码比较长,包含了很多校验逻辑和注释,本文中在引用时,在保留核心逻辑的同时均做了不同程度的删减。最后,推荐各位把源码下载下来,细细研读一番,从细节上对 WaitGroup
的设计有更深入的理解。
References
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以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持 码农网
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