Go并发编程(六) 深入理解 WaitGroup

本系列为 Go 进阶训练营 笔记,预计 2021Q2 完成更新,访问 博客: Go进阶训练营, 即可查看当前更新进度,部分文章篇幅较长,使用 PC 大屏浏览体验更佳。

在前面的几篇文章中我们或多或少都用到了 WaitGroup 来等待多个 goroutine 执行结束,今天我们来深入学习一下

案例

WaitGroup 可以解决一个 goroutine 等待多个 goroutine 同时结束的场景,这个比较常见的场景就是例如 后端 worker 启动了多个消费者干活,还有爬虫并发爬取数据,多线程下载等等。
我们这里模拟一个 worker 的例子

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
package main

import (
"fmt"
"sync"
)

func worker(i int) {
fmt.Println("worker: ", i)
}

func main() {
var wg sync.WaitGroup
for i := 0; i < 10; i++ {
wg.Add(1)
go func(i int) {
defer wg.Done()
worker(i)
}(i)
}
wg.Wait()
}
问题: 反过来支持多个 goroutine 等待一个 goroutine 完成后再干活吗?
看我们接下来的源码分析你就知道了

源码分析

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
type WaitGroup struct {
noCopy noCopy

// 64-bit value: high 32 bits are counter, low 32 bits are waiter count.
// 64-bit atomic operations require 64-bit alignment, but 32-bit
// compilers do not ensure it. So we allocate 12 bytes and then use
// the aligned 8 bytes in them as state, and the other 4 as storage
// for the sema.
state1 [3]uint32
}

WaitGroup 结构十分简单,由 nocopystate1 两个字段组成,其中 nocopy 是用来防止复制的

1
2
3
4
5
type noCopy struct{}

// Lock is a no-op used by -copylocks checker from `go vet`.
func (*noCopy) Lock() {}
func (*noCopy) Unlock() {}

由于嵌入了 nocopy 所以在执行 go vet 时如果检查到 WaitGroup 被复制了就会报错。这样可以一定程度上保证 WaitGroup 不被复制,对了直接 go run 是不会有错误的,所以我们代码 push 之前都会强制要求进行 lint 检查,在 ci/cd 阶段也需要先进行 lint 检查,避免出现这种类似的错误。

1
2
3
4
5
6
7
~/project/Go-000/Week03/blog/06_waitgroup/02 main*
go run ./main.go

~/project/Go-000/Week03/blog/06_waitgroup/02 main*
go vet .
# github.com/mohuishou/go-training/Week03/blog/06_waitgroup/02
./main.go:7:9: assignment copies lock value to wg2: sync.WaitGroup contains sync.noCopy

state1 的设计非常巧妙,这是一个是十二字节的数据,这里面主要包含两大块,counter 占用了 8 字节用于计数,sema 占用 4 字节用做信号量

为什么要这么搞呢?直接用两个字段一个表示 counter,一个表示 sema 不行么?
不行,我们看看注释里面怎么写的。

// 64-bit value: high 32 bits are counter, low 32 bits are waiter count. > // 64-bit atomic operations require 64-bit alignment, but 32-bit > // compilers do not ensure it. So we allocate 12 bytes and then use > // the aligned 8 bytes in them as state, and the other 4 as storage > // for the sema.

这段话的关键点在于,在做 64 位的原子操作的时候必须要保证 64 位(8 字节)对齐,如果没有对齐的就会有问题,但是 32 位的编译器并不能保证 64 位对齐所以这里用一个 12 字节的 state1 字段来存储这两个状态,然后根据是否 8 字节对齐选择不同的保存方式。
02_Go进阶03_blog_waitgroup.drawio.svg
这个操作巧妙在哪里呢?

  • 如果是 64 位的机器那肯定是 8 字节对齐了的,所以是上面第一种方式
  • 如果在 32 位的机器上
    • 如果恰好 8 字节对齐了,那么也是第一种方式取前面的 8 字节数据
    • 如果是没有对齐,但是 32 位 4 字节是对齐了的,所以我们只需要后移四个字节,那么就 8 字节对齐了,所以是第二种方式

所以通过 sema 信号量这四个字节的位置不同,保证了 counter 这个字段无论在 32 位还是 64 为机器上都是 8 字节对齐的,后续做 64 位原子操作的时候就没问题了。
这个实现是在 state 方法实现的

1
2
3
4
5
6
7
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]
}
}

state 方法返回 counter 和信号量,通过 uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 来判断是否 8 字节对齐

Add

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
// 先从 state 当中把数据和信号量取出来
statep, semap := wg.state()

// 在 waiter 上加上 delta 值
state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
// 取出当前的 counter
v := int32(state >> 32)
// 取出当前的 waiter,正在等待 goroutine 数量
w := uint32(state)

// counter 不能为负数
if v < 0 {
panic("sync: negative WaitGroup counter")
}

// 这里属于防御性编程
// w != 0 说明现在已经有 goroutine 在等待中,说明已经调用了 Wait() 方法
// 这时候 delta > 0 && v == int32(delta) 说明在调用了 Wait() 方法之后又想加入新的等待者
// 这种操作是不允许的
if w != 0 && delta > 0 && v == int32(delta) {
panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
}
// 如果当前没有人在等待就直接返回,并且 counter > 0
if v > 0 || w == 0 {
return
}

// 这里也是防御 主要避免并发调用 add 和 wait
if *statep != state {
panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
}

// 唤醒所有 waiter,看到这里就回答了上面的问题了
*statep = 0
for ; w != 0; w-- {
runtime_Semrelease(semap, false, 0)
}
}

Wait

wait 主要就是等待其他的 goroutine 完事之后唤醒

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
func (wg *WaitGroup) Wait() {
// 先从 state 当中把数据和信号量的地址取出来
statep, semap := wg.state()

for {
// 这里去除 counter 和 waiter 的数据
state := atomic.LoadUint64(statep)
v := int32(state >> 32)
w := uint32(state)

// counter = 0 说明没有在等的,直接返回就行
if v == 0 {
// Counter is 0, no need to wait.
return
}

// waiter + 1,调用一次就多一个等待者,然后休眠当前 goroutine 等待被唤醒
if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
runtime_Semacquire(semap)
if *statep != 0 {
panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned")
}
return
}
}
}

Done

这个只是 add 的简单封装

1
2
3
func (wg *WaitGroup) Done() {
wg.Add(-1)
}

总结

  • WaitGroup 可以用于一个 goroutine 等待多个 goroutine 干活完成,也可以多个 goroutine 等待一个 goroutine 干活完成,是一个多对多的关系
    • 多个等待一个的典型案例是 singleflight,这个在后面将微服务可用性的时候还会再讲到,感兴趣可以看看源码
  • Add(n>0) 方法应该在启动 goroutine 之前调用,然后在 goroution 内部调用 Done 方法
  • WaitGroup 必须在 Wait 方法返回之后才能再次使用
  • Done 只是 Add 的简单封装,所以实际上是可以通过一次加一个比较大的值减少调用,或者达到快速唤醒的目的。

参考文献

  1. https://pkg.go.dev/sync 官网文档,必读
  2. Go 语言设计与实现-6.2 同步原语与锁 这本书值得一看
  3. Go by Example: WaitGroups
  4. https://golang.org/issues/8005#issuecomment-190753527
  5. Golang 源码系列 sync.waitgroup 源码剖析

第 0 期已经结束,想要报名后面课程的同学,我联系极客时间为大家争取到了读者专属优惠
扫描下方微信公众号二维码,发送【福利】获取专属优惠,比官方优惠更给力哦

关注我获取更新

wechat
知乎
开发者头条
github

猜你喜欢