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Go WaitGroup实现原理

日期:2018-10-18点击:384

1 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。

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:

  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。

2 基础知识

2.1 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;

由于WaitGroup实现中也使用了信号量,在此做个简单介绍。

3 WaitGroup

3.1 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。

3.2 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,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,跟据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 } } 

3.3 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。

3.4 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。

4 编程Tips

  • Add()操作必须早于Wait(), 否则会panic
  • Add()设置的值必须与实际等待的goroutine个数一致,否则会panic

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