Go语言核心36讲-条件变量sync.Cond(上)

前导知识:条件变量与互斥锁

我们常常会把条件变量这个同步工具拿来与互斥锁一起讨论。实际上,条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能发挥作用。

条件变量并不是被用来保护临界区和共享资源的,它是用于协调想要访问共享资源的那些线程的。当共享资源的状态发生变化时,它可以被用来通知被互斥锁阻塞的线程。

比如说,我们两个人在共同执行一项秘密任务,这需要在不直接联系和见面的前提下进行。我需要向一个信箱里放置情报,你需要从这个信箱中获取情报。这个信箱就相当于一个共享资源,而我们就分别是进行写操作的线程和进行读操作的线程。

如果我在放置的时候发现信箱里还有未被取走的情报,那就不再放置,而先返回。另一方面,如果你在获取的时候发现信箱里没有情报,那也只能先回去了。这就相当于写的线程或读的线程阻塞的情况。

虽然我们俩都有信箱的钥匙,但是同一时刻只能有一个人插入钥匙并打开信箱,这就是锁的作用了。更何况咱们俩是不能直接见面的,所以这个信箱本身就可以被视为一个临界区。

尽管没有协调好,咱们俩仍然要想方设法的完成任务啊。所以,如果信箱里有情报,而你却迟迟未取走,那我就需要每过一段时间带着新情报去检查一次,若发现信箱空了,我就需要及时地把新情报放到里面。

另一方面,如果信箱里一直没有情报,那你也要每过一段时间去打开看看,一旦有了情报就及时地取走。这么做是可以的,但就是太危险了,很容易被敌人发现。

后来,我们又想了一个计策,各自雇佣了一个不起眼的小孩儿。如果早上七点有一个戴红色帽子的小孩儿从你家楼下路过,那么就意味着信箱里有了新情报。另一边,如果上午九点有一个戴蓝色帽子的小孩儿从我家楼下路过,那就说明你已经从信箱中取走了情报。

这样一来,咱们执行任务的隐蔽性高多了,并且效率的提升非常显著。这两个戴不同颜色帽子的小孩儿就相当于条件变量,在共享资源的状态产生变化的时候,起到了通知的作用。

当然了,我们是在用 Go 语言编写程序,而不是在执行什么秘密任务。因此,条件变量在这里的最大优势就是在效率方面的提升。当共享资源的状态不满足条件的时候,想操作它的线程再也不用循环往复地做检查了,只要等待通知就好了。

今天的问题是:条件变量怎样与互斥锁配合使用?

典型回答

条件变量的初始化离不开互斥锁,并且它的方法有的也是基于互斥锁的。

条件变量提供的方法有三个:等待通知(wait)、单发通知(signal)和广播通知(broadcast)。

我们在利用条件变量等待通知的时候,需要在它基于的那个互斥锁保护下进行。而在进行单发通知或广播通知的时候,却是恰恰相反的,也就是说,需要在对应的互斥锁解锁之后再做这两种操作。

问题解析

这个问题看起来很简单,但其实可以基于它, 延伸出很多其他的问题。比如,每个方法的使用时机是什么?又比如,每个方法执行的内部流程是怎样的?

下面,我们一边用代码实现前面那个例子,一边讨论条件变量的使用。

首先,我们先来创建如下几个变量。

1
2
3
4
var mailbox uint8
var lock sync.RWMutex
sendCond := sync.NewCond(&lock)
recvCond := sync.NewCond(lock.RLocker())

变量mailbox代表信箱,是uint8类型的。 若它的值为0则表示信箱中没有情报,而当它的值为1时则说明信箱中有情报。lock是一个类型为sync.RWMutex的变量,是一个读写锁,也可以被视为信箱上的那把锁。

另外,基于这把锁,我还创建了两个代表条件变量的变量,名字分别叫sendCond和recvCond。 它们都是*sync.Cond类型的,同时也都是由sync.NewCond函数来初始化的。

与sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型不同,sync.Cond类型并不是开箱即用的。我们只能利用sync.NewCond函数创建它的指针值。这个函数需要一个sync.Locker类型的参数值。

还记得吗?我在前面说过,条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能够起作用。因此,这里的参数值是不可或缺的,它会参与到条件变量的方法实现当中。

sync.Locker其实是一个接口,在它的声明中只包含了两个方法定义,即:Lock()和Unlock()。sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型都拥有Lock方法和Unlock方法,只不过它们都是指针方法。因此,这两个类型的指针类型才是sync.Locker接口的实现类型。

我在为sendCond变量做初始化的时候,把基于lock变量的指针值传给了sync.NewCond函数。

原因是,lock变量的Lock方法和Unlock方法分别用于对其中写锁的锁定和解锁,它们与sendCond变量的含义是对应的。sendCond是专门为放置情报而准备的条件变量,向信箱里放置情报,可以被视为对共享资源的写操作。

相应的,recvCond变量代表的是专门为获取情报而准备的条件变量。 虽然获取情报也会涉及对信箱状态的改变,但是好在做这件事的人只会有你一个,而且我们也需要借此了解一下,条件变量与读写锁中的读锁的联用方式。所以,在这里,我们暂且把获取情报看做是对共享资源的读操作。

因此,为了初始化recvCond这个条件变量,我们需要的是lock变量中的读锁,并且还需要是sync.Locker类型的。

可是,lock变量中用于对读锁进行锁定和解锁的方法却是RLock和RUnlock,它们与sync.Locker接口中定义的方法并不匹配。

好在sync.RWMutex类型的RLocker方法可以实现这一需求。我们只要在调用sync.NewCond函数时,传入调用表达式lock.RLocker()的结果值,就可以使该函数返回符合要求的条件变量了。

为什么说通过lock.RLocker()得来的值就是lock变量中的读锁呢?实际上,这个值所拥有的Lock方法和Unlock方法,在其内部会分别调用lock变量的RLock方法和RUnlock方法。也就是说,前两个方法仅仅是后两个方法的代理而已。

好了,我们现在有四个变量。一个是代表信箱的mailbox,一个是代表信箱上的锁的lock。还有两个是,代表了蓝帽子小孩儿的sendCond,以及代表了红帽子小孩儿的recvCond。

互斥锁与条件变量

我,现在是一个 goroutine(携带的go函数),想要适时地向信箱里放置情报并通知你,应该怎么做呢?

1
2
3
4
5
6
7
lock.Lock()
for mailbox == 1 {
sendCond.Wait()
}
mailbox = 1
lock.Unlock()
recvCond.Signal()

我肯定需要先调用lock变量的Lock方法。注意,这个Lock方法在这里意味的是:持有信箱上的锁,并且有打开信箱的权利,而不是锁上这个锁。

然后,我要检查mailbox变量的值是否等于1,也就是说,要看看信箱里是不是还存有情报。如果还有情报,那么我就回家去等蓝帽子小孩儿了。

这就是那条for语句以及其中的调用表达式sendCond.Wait()所表示的含义了。你可能会问,为什么这里是for语句而不是if语句呢?我在后面会对此进行解释的。

我们再往后看,如果信箱里没有情报,那么我就把新情报放进去,关上信箱、锁上锁,然后离开。用代码表达出来就是mailbox = 1和lock.Unlock()。

离开之后我还要做一件事,那就是让红帽子小孩儿准时去你家楼下路过。也就是说,我会及时地通知你“信箱里已经有新情报了”,我们调用recvCond的Signal方法就可以实现这一步骤。

另一方面,你现在是另一个 goroutine,想要适时地从信箱中获取情报,然后通知我。

1
2
3
4
5
6
7
lock.RLock()
for mailbox == 0 {
recvCond.Wait()
}
mailbox = 0
lock.RUnlock()
sendCond.Signal()

你跟我做的事情在流程上其实基本一致,只不过每一步操作的对象是不同的。你需要调用的是lock变量的RLock方法。因为你要进行的是读操作,并且会使用recvCond变量作为辅助。recvCond与lock变量的读锁是对应的。

在打开信箱后,你要关注的是信箱里是不是没有情报,也就是检查mailbox变量的值是否等于0。如果它确实等于0,那么你就需要回家去等红帽子小孩儿,也就是调用recvCond的Wait方法。这里使用的依然是for语句。

如果信箱里有情报,那么你就应该取走情报,关上信箱、锁上锁,然后离开。对应的代码是mailbox = 0和lock.RUnlock()。之后,你还需要让蓝帽子小孩儿准时去我家楼下路过。这样我就知道信箱中的情报已经被你获取了。

以上这些,就是对咱们俩要执行秘密任务的代码实现。其中的条件变量的用法需要你特别注意。

再强调一下,只要条件不满足,我就会通过调用sendCond变量的Wait方法,去等待你的通知,只有在收到通知之后我才会再次检查信箱。

另外,当我需要通知你的时候,我会调用recvCond变量的Signal方法。你使用这两个条件变量的方式正好与我相反。你可能也看出来了,利用条件变量可以实现单向的通知,而双向的通知则需要两个条件变量。这也是条件变量的基本使用规则。

完整代码如下

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
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
package main

import (
"log"
"sync"
"time"
)

func main() {
// mailbox 代表信箱。
// 0代表信箱是空的,1代表信箱是满的。
var mailbox uint8
// lock 代表信箱上的锁。
var lock sync.RWMutex
// sendCond 代表专用于发信的条件变量。
sendCond := sync.NewCond(&lock)
// recvCond 代表专用于收信的条件变量。
recvCond := sync.NewCond(lock.RLocker())

// sign 用于传递演示完成的信号。
sign := make(chan struct{}, 3)
max := 5
go func(max int) { // 用于发信。
defer func() {
sign <- struct{}{}
}()
for i := 1; i <= max; i++ {
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
lock.Lock()
for mailbox == 1 {
sendCond.Wait()
}
log.Printf("sender [%d]: the mailbox is empty.", i)
mailbox = 1
log.Printf("sender [%d]: the letter has been sent.", i)
lock.Unlock()
recvCond.Signal()
}
}(max)
go func(max int) { // 用于收信。
defer func() {
sign <- struct{}{}
}()
for j := 1; j <= max; j++ {
time.Sleep(time.Millisecond * 500)
lock.RLock()
for mailbox == 0 {
recvCond.Wait()
}
log.Printf("receiver [%d]: the mailbox is full.", j)
mailbox = 0
log.Printf("receiver [%d]: the letter has been received.", j)
lock.RUnlock()
sendCond.Signal()
}
}(max)

<-sign
<-sign
}

Go语言核心36讲-条件变量sync.Cond(上)
http://blog.chcaty.cn/2021/11/24/go-yu-yan-he-xin-36-jiang-tiao-jian-bian-liang-sync.cond-shang/
作者
caty
发布于
2021年11月24日
许可协议