golang 剖析 sync包

原创于 2025-12-16 17:57:56 发布 · 257 阅读

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简介

golang的sync包提供了一些并发控制的工具，在应用程序开发过程中是非常有用的，下面详细介绍下这些工具的原理和使用
在介绍工具之前，先讲解下内存模型中的happens-before关系

// 示例：Happens-Before关系
var a string
var done bool

func setup() {
    a = "hello, world"  // 写操作A
    done = true         // 写操作B
}

func main() {
    go setup()
    for !done {        // 读操作C
        // 忙等待
    }
    print(a)           // 读操作D
}

关键点：

如果B happens-before C，那么A happens-before D
sync包的作用就是建立这种happens-before关系

Mutex

golang提供的锁，常用于保护共享资源的访问安全，使用如下

func main() {
	var mu sync.Mutex
	mu.Lock()
	defer mu.Unlock()
	mu.TryLock()
}

mu.Lock()：加锁
mu.Unlock()：解锁
mu.TryLock()：尝试加锁，如果成功会返回true

锁结构如下

type Mutex struct {
    state int32  // 锁状态：包含多个标志位
    sema  uint32 // 信号量：用于阻塞goroutine
}

加锁的时候，会先使用cas原子操作获取锁(CPU实现)，如果拿不到说明已经被其他goroutine占有，通过自旋阻塞当前goroutine（这过程会通过PAUSE指令减少CPU功耗）

func (m *Mutex) Lock() {
    // 快速路径：尝试原子操作获取锁
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
        return
    }
    
    // 慢速路径：锁已被持有，需要等待
    m.lockSlow()
}

读写均衡或者写者较多的场景，使用这个锁（防止写者竞争，内存占用也更小）

RWMutex

golang提供的读写锁，和上面的锁区别是区分了读和写两种场景。读之间的冲突不阻塞，若写锁遇到了读锁，需要等待所有读者释放，若读者和写者同时到达，读者要等待写者完成（写优先）

func (rw *RWMutex) Lock() {
    // 1. 获取互斥锁
    rw.w.Lock()
    
    // 2. 设置readerCount为负值，阻止新读者
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders)
    
    // 3. 等待现有读者
    if r != 0 {
        runtime_Semacquire(&rw.writerSem)
    }
}

func (rw *RWMutex) RLock() {
    // 检查是否有写者（readerCount < 0表示有写者）
    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
        // 有写者在等待或正在写，读者必须阻塞
        runtime_Semacquire(&rw.readerSem)
    }
}

读多写少的场景使用这个读写锁，性能会有比较大的提升

WaitGroup

waitGroup提供了下面三个方法，用来控制多个goroutine是否都执行完成，主goroutine调用Add方法设置要等待的goroutine数量，每个goroutine结束的时候，调用Done方法标记这个任务结束，Wait方法会等待所有goroutine调用完Done方法

func main() {
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1) // 增加一个等待者
	go func() {
		defer wg.Done()
		// 执行逻辑, 逻辑执行完之后, 等待者数量-1
	}()

	wg.Wait() // 等待所有等待者执行完成
}

底层实现如下，它使用了一个state来存储等待者和要执行的工作数量

type WaitGroup struct {
    noCopy noCopy
    
    // 64位值的高32位是计数器，低32位是等待者数量
    // 64位原子操作需要64位对齐，但32位编译器不能确保这一点
    state atomic.Uint64 // high 32 bits are counter, low 32 bits are waiter count.
}

// WaitGroup状态布局（64位）
// 高32位：计数器 (counter)
// 低32位：等待者数量 (waiters)

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
    statep, semap := wg.state()
    
    // 更新计数器
    state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
    
    // 检查状态变化
    v := int32(state >> 32)  // 计数器
    w := uint32(state)       // 等待者数量
    
    if v > 0 || w == 0 {
        return // 还有工作要做，或者没有等待者
    }
    
    // 所有工作完成，唤醒等待者
    if *statep != 0 {
        panic("sync: WaitGroup misuse")
    }
    
    // 唤醒所有等待的goroutine
    for ; w != 0; w-- {
        runtime_Semrelease(semap, false, 0)
    }
}

具体

高32位 = 工作计数器
wg.Add(5) // 高32位 += 5，表示还有5个工作要做
wg.Done() // 高32位 -= 1，表示完成了1个工作

当高32位变为0时，表示所有工作完成

低32位 = 等待者数量
wg.Wait() // 低32位 += 1，表示1个goroutine开始等待

当高32位变为0时，低32位表示需要唤醒多少个goroutine

当调用Wait方法时，也是一个自旋等待的逻辑。配合cas，实现等待所有工作完成。具体细节参考源码，这里只简单介绍下原理

Once

sync.Once{}提供了一个多次调用，只执行一次的方法实现，如下所示

func main() {
	once := sync.Once{}
	once.Do(func() {
		// 这里的逻辑只会执行一次
	})
}

这个的底层实现比较简单，因为once内部维护了一个原子类，指向一个32位无符号数，当执行func的时候，如果有多个goroutine并发执行，两个goroutine会竞争锁，最终只有一个能够执行func的逻辑，执行完之后，这个数会设置为1，从而后面的所有goroutine都不会再走到执行逻辑。具体参考下面源码实现

func (o *Once) Do(f func()) {
	if o.done.Load() == 0 {
		o.doSlow(f)
	}
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done.Load() == 0 {
		defer o.done.Store(1)
		f()
	}
}

Cond

这个工具主要是协调访问共享资源的那些goroutine，c.L是工具内部的一个锁。当调用c.L.Wait()会解锁等待Signal或者Broadcast信号，Broadcast会唤醒所有等待的Wait，Signal会随机唤醒一个等待的Wait。具体使用方法如下面的例子所示

func main() {
	cond := sync.NewCond(new(sync.Mutex))
	done := false
	read := func(name string, c *sync.Cond) {
		c.L.Lock()
		if !done {
			c.Wait()
		}
		fmt.Println("start reading: ", name)
		c.L.Unlock()
	}

	write := func(name string, c *sync.Cond) {
		fmt.Println("start writing: ", name)
		c.L.Lock()
		done = true
		c.L.Unlock()

		fmt.Println("wakes all:", name)
		c.Signal()
	}

	go read("read3", cond)
	go read("read1", cond)
	go read("read2", cond)

	write("write1", cond)

	time.Sleep(5 * time.Second)
}

Map

golang在sync包内提供了一个并发安全的Map，可以增删改查，遍历、compareAndSwap、LoadOrStore等操作。可以做一些无锁编程，提升性能
读多写少(读操作占比>80%)、数据量大(键值对数量>1000)、写入不频繁(写入频率<100次/秒)、简单键值等场景，使用这个的性能要优于普通map+锁

Pool

对于频繁进行内存分配和回收的场景，可以使用sync.Pool{}，例如下面的场景

// 频繁分配和回收的典型特征
func frequentAllocation() {
    pool := sync.Pool{
        New: func() interface{} {
            return make([]byte, 1024)
        },
    }
    // 在循环中重复创建和销毁对象
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 分配：创建新对象
        // buf := make([]byte, 1024)  // 直接分配内存
        buf := pool.Get().([]byte) // 使用对象池
        // 使用对象
        copy(buf, data[i])
        process(buf)
        
        // 回收：对象超出作用域，被GC回收
        pool.Put(buf[:0]) // 归还对象（清空）
    }
    // 每次循环都经历：分配→使用→回收
}