Golang 并发 Cond条件变量

Golang 并发 Cond条件变量

背景

编写代码过程中， 通常有主协程和多个子协程进行协作的过程，比如通过 WaitGroup 可以实现当所有子协程完成之后， 主协程再继续执行。

如上的场景是主协程等待子协程达到某个状态再继续运行。 但是反过来怎么操作呢，要求一组子协程等待主协达到某个状态时才继续运行。这个时候就需要用到 Cond 了

简介

Cond 是和某个条件相关，在条件还没有满足的时候，所有等待这个条件的协程都会被阻塞住，只有这个条件满足的时候，等待的协程才可能继续进行下去。Cond 在初始化的时候，需要关联一个 Locker 接口的实例，一般会使用 Mutex 或者 RWMutex。Cond 关联的 Locker 实例可以通过 c.L 访问，它内部维护着一个先入先出的等待队列。

Cond 分别有三个方法如下所示：

Wait

会把当前协程放入Cond的等待队列中并阻塞，直到被Signal或者Broadcast方法从等待队列中移除并唤醒，用于子协程阻塞。

Signal

主协程唤醒等待队列中的一个子协程，先唤醒最先阻塞的子协程，被唤醒的子协程继续执行。

Broadcast

主协程唤醒等待队列中的全部协程，所有子协程继续执行。

注意：调用 Signal 和 Broadcast 方法，不强求持有c.L的锁，调用Wait方法是必须要持有c.L的锁。

Signal的使用场景

大家都去医院先排队，然后等待叫号，先排队的先叫号。这次模拟有5个病人，分别先排队。 然后护士根据排队先后来叫号；
具体场景是，5个病人在三秒中之内分别排号，护士今天要叫5个号，一秒叫一个，叫完5个号就结束了
代码如下：

func TestCondSignal(t *testing.T) {
	c := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
	num := 0
	// 当前叫号是几号
	hand_num := 0
	for i := 0; i < 5; i++ {
		go func(i int) {
			// 分别在不同时间排队
			time.Sleep(time.Second * time.Duration(rand.Int63n(10)))
			c.L.Lock()
			num++
			// 当前取得号。
			cur := num
			fmt.Printf("%s  %d 号病人取到了 %d 号\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"), i, cur)
			// 取到号了，等待叫号
			c.Wait()
			fmt.Printf("%s  %d 号病人排队号是 %d 号，被叫号了\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"), i, cur)
			hand_num = cur
			c.L.Unlock()
		}(i)
	}

	// 都叫号了
	for hand_num != 5 {
		// 叫号
		c.Signal()
		time.Sleep(time.Second * 1)
	}

	time.Sleep(time.Second * 10)
}

代码输出：

=== RUN   TestCondSignal
2024-02-06 13:49:55  0 号病人取到了 1 号
2024-02-06 13:49:56  4 号病人取到了 2 号
2024-02-06 13:49:56  3 号病人取到了 3 号
2024-02-06 13:49:56  0 号病人排队号是 1 号，被叫号了
2024-02-06 13:49:56  1 号病人取到了 4 号
2024-02-06 13:49:57  4 号病人排队号是 2 号，被叫号了
2024-02-06 13:49:58  3 号病人排队号是 3 号，被叫号了
2024-02-06 13:49:59  1 号病人排队号是 4 号，被叫号了
2024-02-06 13:50:02  2 号病人取到了 5 号
2024-02-06 13:50:02  2 号病人排队号是 5 号，被叫号了
--- PASS: TestCondSignal (18.09s)
PASS

结果表明，5个病人，分别在三秒钟内先后取号， 然后护士每过一秒钟按照排队的先后顺序叫一个号（叫号的过程依然有病人取号），先取号的被先叫号。
此场景中，5个病人相当于5个协程， 主协程反复使用Signal() 按照顺序一个个唤醒阻塞的子协程。

Broadcast的使用场景

场景为如下: 运动员跑步比赛，要求8秒内全部运动员准备好，然后等待教练发令， 教练10秒后发令，所有运动员在发令后开始跑。

func TestBroadcast(t *testing.T) {
	c := sync.NewCond(&sync.Mutex{})
 
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func(i int) {
            // 随机一个8秒内的准备时间
            time.Sleep(time.Second * time.Duration(rand.Int63n(8)))
            fmt.Printf("%s 运动员%d已准备就绪\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"), i)
            c.L.Lock()
            // 准备完毕，等待教练发令
            c.Wait()
            c.L.Unlock()
            fmt.Printf("%s 运动员%d开跑\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"), i)
        }(i)
    }
 
    // 主协程等待10秒后发令
    time.Sleep(time.Second * 10)
    fmt.Printf("%s 教练发令。\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))
    // 教练发令。通知所有运动员开始跑步， 即唤起之前 wait()的所有协程
    c.Broadcast()
    // 等待跑步
    time.Sleep(time.Second * 5)
}

代码输出如下

=== RUN   TestBroadcast
2024-02-06 13:56:57 运动员4已准备就绪
2024-02-06 13:56:57 运动员7已准备就绪
2024-02-06 13:56:58 运动员8已准备就绪
2024-02-06 13:56:58 运动员3已准备就绪
2024-02-06 13:56:59 运动员9已准备就绪
2024-02-06 13:57:00 运动员2已准备就绪
2024-02-06 13:57:01 运动员5已准备就绪
2024-02-06 13:57:02 运动员1已准备就绪
2024-02-06 13:57:03 运动员6已准备就绪
2024-02-06 13:57:04 运动员0已准备就绪
2024-02-06 13:57:07 教练发令。
2024-02-06 13:57:07 运动员0开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员9开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员8开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员3开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员4开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员5开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员2开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员1开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员6开跑
2024-02-06 13:57:07 运动员7开跑
--- PASS: TestBroadcast (15.01s)

如结果所示， 10个运动员在8秒内分别准备好，等待教练发令后，同时开跑。
此场景中，10个运动员相当于10个协程， 同时等待主协程的命令，使用Broadcast() 唤醒所有阻塞的子协程。

注意事项

使用 Cond，最容易踩的坑就是调用 Wait() 方法之前，调用者没有持有锁或没有检查辅助条件。在如上示例代码中，假如把调用 Wait() 方法前后的加锁和释放锁的代码注释掉，运行代码会 导致程序 panic 。原因是调用 Wait 方法 ，会先把调用者放入等待队列中，然后释放锁。此时如果在未持有锁时调用释放锁的方法，就会 导致程序 panic 。

Wait方法的使用

1. Wait会自动释放c.L锁，并挂起调用者的goroutine，之后恢复执行
2. Wait会在返回时对c.L加锁
3. 除非被Broadcast或Signal唤醒，否则Wait不会返回
4. 由于Wait第一次恢复是，c.L并没有加锁，所以当Wait返回时，调用者通常不能假设条件为真
5. 简单来说，只要想使用condition就必须加锁

参考

https://www.jb51.net/article/277047.htm