Go语言 WaitGroup

时间:2022-06-18 OOMO1Edc 人气:0

前言

在前面的文章中，我们使用过 WaitGroup 进行任务编排，Go语言中的 WaitGroup 和 Java 中的 CyclicBarrier、CountDownLatch 非常类似。比如我们有一个主任务在执行，执行到某一点时需要并行执行三个子任务，并且需要等到三个子任务都执行完后，再继续执行主任务。那我们就需要设置一个检查点，使主任务一直阻塞在这，等三个子任务执行完后再放行。

说明：本文中的示例，均是基于Go1.17 64位机器

小试牛刀

我们先来个简单的例子，看下 WaitGroup 是怎么使用的。示例中使用 Add(5) 表示我们有 5个子任务，然后起了 5个协程去完成任务，主协程使用 Wait() 方法等待子协程执行完毕，输出一共等待的时间。

func main() {
    var waitGroup sync.WaitGroup

    start := time.Now()
    waitGroup.Add(5)
    for i := 0; i < 5; i++ {
        go func() {
            defer waitGroup.Done()
            time.Sleep(time.Second)
            fmt.Println("done")
        }()
    }

    waitGroup.Wait()
    fmt.Println(time.Now().Sub(start).Seconds())
}

/*
done
done
done
done
done
1.000306089
*/

总览

WaitGroup 一共有三个方法：

(wg *WaitGroup) Add(delta int)
(wg *WaitGroup) Done()
(wg *WaitGroup) Wait()

Add 方法用于设置 WaitGroup 的计数值，可以理解为子任务的数量
Done 方法用于将 WaitGroup 的计数值减一，可以理解为完成一个子任务
Wait 方法用于阻塞调用者，直到 WaitGroup 的计数值为0，即所有子任务都完成

正常来说，我们使用的时候，需要先确定子任务的数量，然后调用 Add() 方法传入相应的数量，在每个子任务的协程中，调用 Done()，需要等待的协程调用 Wait() 方法，状态流转如下图：

底层实现

结构体

type WaitGroup struct {
    noCopy noCopy // noCopy 字段标识，由于 WaitGroup 不能复制，方便工具检测

    state1 [3]uint32  // 12个字节，8个字节标识 计数值和等待数量，4个字节用于标识信号量
}

state1 是个复合字段，会拆分为两部分： 64位（8个字节）的 statep 作为一个整体用于原子操作, 其中前面4个字节表示计数值，后面四个字节表示等待数量；剩余 32位（4个字节）semap 用于标识信号量。

Go语言中对于64位的变量进行原子操作，需要保证该变量是64位对齐的，也就是要保证这 8个字节的首地址是 8 的整数倍。因此当 state1 的首地址是 8 的整数倍时，取前8个字节作为 statep ，后4个字节作为 semap；当 state1 的首地址不是 8 的整数倍时，取后8个字节作为 statep ，前4个字节作为 semap。

func (wg *WaitGroup) state() (statep *uint64, semap *uint32) {
    
    // 首地址是8的倍数时，前8个字节为 statep, 后四个字节为 semap
    if uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 {
        return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2]
    } else { 
        
    // 后8个字节为 statep, 前四个字节为 semap    
        return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1[1])), &wg.state1[0]
    }
}

Add

Add 方法用于添加一个计数值（负数相当于减），当计数值变为0后， Wait 方法阻塞的所有等待者都会被释放
计数值变为负数是非法操作，产生 panic
当计数值为0时（初始状态），Add 方法不能和 Wait 方法并发调用，需要保证 Add 方法在 Wait 方法之前调用，否则会 panic

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {

    // 拿到计数值等待者变量 statep 和 信号量 semap
    statep, semap := wg.state()

    // 计数值加上 delta: statep 的前四个字节是计数值，因此将 delta 前移 32位
    state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)

    // 计数值
    v := int32(state >> 32)

    // 等待者数量
    w := uint32(state)

    // 如果加上 delta 之后，计数值变为负数，不合法，panic
    if v < 0 {
        panic("sync: negative WaitGroup counter")
    }

    // delta > 0 && v == int32(delta) : 表示从 0 开始添加计数值
    // w!=0 ：表示已经有了等待者
    // 说明在添加计数值的时候，同时添加了等待者，非法操作。添加等待者需要在添加计数值之后
    if w != 0 && delta > 0 && v == int32(delta) {
        panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
    }

    // v>0 : 计数值不等于0，不需要唤醒等待者，直接返回
    // w==0: 没有等待者，不需要唤醒，直接返回
    if v > 0 || w == 0 {
        return
    }

    // 再次检查数据是否一致
    if *statep != state {
        panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
    }

    // 到这里说明计数值为0，且等待者大于0，需要唤醒所有的等待者，并把系统置为初始状态（0状态）
  
  // 将计数值和等待者数量都置为0
    *statep = 0

    // 唤醒等待者
    for ; w != 0; w-- {
        runtime_Semrelease(semap, false, 0)
    }
}

Done

// 完成一个任务，将计数值减一，当计数值减为0时，需要唤醒所有的等待者
func (wg *WaitGroup) Done() {
    wg.Add(-1)
}

Wait

// 调用 Wait 方法会被阻塞，直到 计数值 变为0
func (wg *WaitGroup) Wait() {

    // 获取计数、等待数和信号量
    statep, semap := wg.state()

    for {
        state := atomic.LoadUint64(statep)

        // 计数值
        v := int32(state >> 32)

        // 等待者数量
        w := uint32(state)

        // 计数值数量为0，直接返回，无需等待
        if v == 0 {
            return
        }

        // 到这里说明计数值数量大于0
        // 增加等待者数量：这里会有竞争，比如多个 Wait 调用，或者在同时调用 Add 方法，增加不成功会继续 for 循环
        if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
            // 增加成功后，阻塞在信号量这里，等待被唤醒
            runtime_Semacquire(semap)

            // 被唤醒的时候，应该是0状态。如果重用 WaitGroup，需要等 Wait 返回
            if *statep != 0 {
                panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned")
            }
            return
        }
    }
}

易错点

上面分析源码可以看到几个会产生 panic 的点，这也是我们使用 WaitGroup 需要注意的地方

1.计数值变为负数

调用 Add 时参数值传负数

func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1)
wg.Add(-1)
wg.Add(-1)
}

多次调用 Done 方法

func main() {
    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(1)
    go func() {
        fmt.Println("test")
        wg.Done()
        wg.Done()
    }()

    time.Sleep(time.Second)
    wg.Wait()
}

2.Add 和 Wait 并发调用

Add 和 Wait 并发调用，有可能达不到我们预期的效果，甚至 panic。如下示例中，我们想要等待 3 个子任务都执行完后再执行主任务，但实际情况可能是子任务还没起来，主任务就继续往下执行了。

func doSomething(wg *sync.WaitGroup) {
    wg.Add(1)
    fmt.Println("do  something")
    defer wg.Done()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 3; i++ {
        go doSomething(&wg)
    }

    wg.Wait()
    fmt.Println("main")
}

//main
//do  something
//do  something

正确的使用方式，应该是在调用 Wait 前先调用 Add

func doSomething(wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    fmt.Println("do  something")
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(3)
    for i := 0; i < 3; i++ {
        go doSomething(&wg)
    }

    wg.Wait()
    fmt.Println("main")
}

//do  something
//do  something
//do  something
//main

3.没有等 Wait 返回，就重用 WaitGroup

func main() {
    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(1)
    go func() {
        fmt.Println("do something")
        wg.Done()
        wg.Add(1)
    }()

    wg.Wait()
}

4.复制使用

我们知道 Go 语言中的参数传递，都是值传递，就会产生复制操作。因此在向函数传递 WaitGroup 时，使用指针进行操作。

// 错误使用方式，没有使用指针
func doSomething(wg sync.WaitGroup) {
    fmt.Println("do  something")
    defer wg.Done()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(3)
    for i := 0; i < 3; i++ {
        // 这里没使用指针，wg状态一直不会改变，导致 Wait 一直阻塞
        go doSomething(wg)
    }

    wg.Wait()
    fmt.Println("main")
}

总结

我们通过源码+示例的方式，一起学习了 sync.WaitGroup 实现逻辑，同时也给出了一些注意点，只要做到如下操作，就不会出现问题：

保证 Add 在 Wait 前调用
Add 中不传递负数
任务完成后不要忘记调用 Done 方法，建议使用 defer wg.Done()
不要复制使用 WaitGroup，函数传递时使用指针传递
尽量不复用 WaigGroup，减少出问题的风险

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