golang waitgroup

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

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

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 nocopy 和 state1 两个字段组成，其中 nocopy 是用来防止复制的

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。

~/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
可以看出 state1 是一个元素个数为 3 个数组，且每个元素都是 占 32 bits
在 64 位系统里面，64位原子操作需要64位对齐
那么高位的 32 bits 对应的是 counter 计数器，用来表示目前还没有完成任务的协程个数
低 32 bits 对应的是 waiter 的数量，表示目前已经调用了 WaitGroup.Wait 的协程个数
那么剩下的一个 32 bits 就是 sema 信号量的了（后面的源码中会有体现）

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。

此处我们可以看到 ， state 函数是 返回存储在 wg.state1 中的状态和 sema字段 的指针
这里需要重点注意 state() 函数的实现，有 2 种情况

第 1 种 情况是，在 64 位系统下面，返回 sema字段 的指针取的是 &wg.state1[2] ，说明 64 位系统时，state1 数据排布是 ： counter ， waiter，sema

第 2 种情况是，32 位系统下面，返回 sema字段 的指针取的是 &wg.state1[0] ，说明 64 位系统时，state1 数据排布是 ： sema ，counter ， waiter

在 32 位机器上，uint64 类型的变量通常会被编译器按照 4 字节对齐，而不是 8 字节对齐。因此，如果 uint64
类型的变量没有按照 4 字节对齐，就可能会导致原子操作失败。

在 32 位机器上，64 位原子操作需要使用两个 32 位的寄存器来完成，如果 uint64 类型的变量没有按照 4字节对齐，那么在读取或者写入 uint64 类型变量时，就可能会跨越两个 32位寄存器，从而导致原子操作失败。这种情况下，编译器可能会将多个 32 位读写操作组合成一个 64 位操作，或者使用特殊的汇编指令来实现原子性，但这样会增加代码的复杂度和性能开销。

为了避免这种问题，sync.WaitGroup 在 32 位机器上使用了一个包含 3 个 uint32
元素的数组来表示状态，其中前两个元素占用了 8 字节，可以按照 uint64 对齐，从而可以使用 64
位原子操作来保证状态的原子性。这种设计方式既可以在 32 位机器上保证状态的原子性，也可以在 64 位机器上提高程序的性能。

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

golang 这样用，主要原因是 golang 把 counter 和 waiter 合并到一起统一看成是 1 个 64位的数据了，因此在不同的操作系统中
由于字节对齐的原因，64位系统时，前面 2 个 32 位数据加起来，正好是 64 位，正好对齐
对于 32 位系统，则是 第 1 个 32 位数据放 sema 更加合适，后面的 2 个 32 位数据就可以统一取出，作为一个 64 位变量

为什么要counter和waiter合一起？不能用三个变量吗

1. 在并发编程中，多个 goroutine可能会同时访问共享的变量，这种并发访问可能会导致竞态条件，从而导致程序出现意料之外的结果。为了保证并发程序的正确性，需要使用同步原语来协调不同
2. 首先，sync.WaitGroup 的状态包含两个值：计数器和等待的 goroutine 数量。在并发程序中，对于这两个值的修改必须是原子的，否则会导致竞态条件。如果使用两个单独的 uint32 变量来表示这两个值，那么在对它们进行增减操作时，必须使用互斥锁或原子操作来保证它们的原子性。而使用一个 uint32 数组，则可以使用原子操作来同时修改这两个值，从而避免了互斥锁的开销。
3. goroutine 的访问，其中原子操作是一种常用的同步原语。
   原子操作是一种基本的操作，它可以在一个步骤内完成读取和修改操作，从而保证了操作的原子性。在 Go 中，原子操作主要通过
   sync/atomic 包提供。

sync/atomic 包提供了一系列原子操作，包括原子读写、原子增减、原子比较交换等等。这些原子操作可以被多个 goroutine
并发调用，而不会导致竞态条件。在底层实现上，sync/atomic 包使用了 CPU 提供的原子指令，通过锁总线或者其他硬件机制来保证多个
CPU 同时访问一个共享变量时的原子性。

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

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)
	}
}

Add 函数主要功能是将 counter +delta ，增加等待协程的个数：

我们可以看到 Add 函数，通过 state 函数获取到 上述 64位的变量（counter 和 waiter） 和 sema 信号量后，通过 atomic.AddUint64 函数 将 delta 数据 加到 counter 上面

这里为什么是 delta 要左移 32 位呢？

上面我们有说到嘛， state 函数拿出的 64 位变量，高 32 bits 是 counter，低 32 bits 是waiter，此处的 delta 是要加到 counter 上，因此才需要 delta 左移 32 位

Wait

wait 主要就是等待其他的 goroutine 完事之后唤醒

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

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。