WaitGroup 示例

本文基于 Go 1.19。

go 里面的 WaitGroup 是非常常見的一種并發(fā)控制方式，它可以讓我們的代碼等待一組 goroutine 的結(jié)束。 比如在主協(xié)程中等待幾個(gè)子協(xié)程去做一些耗時(shí)的操作，如發(fā)起幾個(gè) HTTP 請(qǐng)求，然后等待它們的結(jié)果。

下面的代碼展示了一個(gè) goroutine 等待另外 2 個(gè) goroutine 結(jié)束的例子：

func TestWaitgroup(t *testing.T) {
   var wg sync.WaitGroup
   // 計(jì)數(shù)器 +2
   wg.Add(2)
   go func() {
      sendHttpRequest("https://baidu.com")
      // 計(jì)數(shù)器 -1
      wg.Done()
   }()
   go func() {
      sendHttpRequest("https://baidu.com")
      // 計(jì)數(shù)器 -1
      wg.Done()
   }()
   // 阻塞。計(jì)數(shù)器為 0 的時(shí)候，Wait 返回
   wg.Wait()
}
// 發(fā)起 HTTP GET 請(qǐng)求
func sendHttpRequest(url string) (string, error) {
   method := "GET"
   client := &http.Client{}
   req, err := http.NewRequest(method, url, nil)
   if err != nil {
      return "", err
   }
   res, err := client.Do(req)
   if err != nil {
      return "", err
   }
   defer res.Body.Close()
   body, err := io.ReadAll(res.Body)
   if err != nil {
      return "", err
   }
   return string(body), err
}

在這個(gè)例子中，我們做了如下事情：

• 定義了一個(gè) WaitGroup 對(duì)象 wg，調(diào)用 wg.Add(2) 將其計(jì)數(shù)器 +2。
• 啟動(dòng)兩個(gè)新的 goroutine，在這兩個(gè) goroutine 中，使用 sendHttpRequest 函數(shù)發(fā)起了一個(gè) HTTP 請(qǐng)求。
• 在 HTTP 請(qǐng)求返回之后，調(diào)用 wg.Done 將計(jì)數(shù)器 -1。
• 在函數(shù)的最后，我們調(diào)用了 wg.Wait，這個(gè)方法會(huì)阻塞，直到 WaitGroup 的計(jì)數(shù)器的值為 0 才會(huì)解除阻塞狀態(tài)。

WaitGroup 基本原理

WaitGroup 內(nèi)部通過一個(gè)計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)有多少協(xié)程被等待。這個(gè)計(jì)數(shù)器的值在我們啟動(dòng) goroutine 之前先寫入（使用 Add 方法）， 然后在 goroutine 結(jié)束的時(shí)候，將這個(gè)計(jì)數(shù)器減 1（使用 Done 方法）。除此之外，在啟動(dòng)這些 goroutine 的協(xié)程中， 會(huì)調(diào)用 Wait 來進(jìn)行等待，在 Wait 調(diào)用的地方會(huì)阻塞，直到 WaitGroup 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器減到 0。 也就實(shí)現(xiàn)了等待一組 goroutine 的目的

背景知識(shí)

在操作系統(tǒng)中，有多種實(shí)現(xiàn)進(jìn)程/線程間同步的方式，如：test_and_set、compare_and_swap、互斥鎖等。 除此之外，還有一種是信號(hào)量，它的功能類似于互斥鎖，但是它能提供更為高級(jí)的方法，以便進(jìn)程能夠同步活動(dòng)。

信號(hào)量

一個(gè)信號(hào)量（semaphore）S是一個(gè)整型變量，它除了初始化外只能通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原子操作：wait() 和 signal() 來訪問。 操作 wait() 最初稱為 P（荷蘭語 proberen，測(cè)試）；操作 signal() 最初稱為 V（荷蘭語 verhogen，增加），可按如下來定義 wait()：

PV 原語。

wait(S) {
    while (S <= 0)
        ; // 忙等待
    S--;
}

可按如下來定義 signal()：

signal(S) {
    S++;
}

在 wait() 和 signal() 操作中，信號(hào)量整數(shù)值的修改應(yīng)不可分割地執(zhí)行。也就是說，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程修改信號(hào)量值時(shí)，沒有其他進(jìn)程能夠同時(shí)修改同一信號(hào)量的值。

簡單來說，信號(hào)量實(shí)現(xiàn)的功能是：

• 當(dāng)信號(hào)量>0 時(shí)，表示資源可用，則 wait 會(huì)對(duì)信號(hào)量執(zhí)行減 1 操作。
• 當(dāng)信號(hào)量<=0 時(shí)，表示資源暫時(shí)不可用，獲取信號(hào)量時(shí)，當(dāng)前的進(jìn)程/線程會(huì)阻塞，直到信號(hào)量為正時(shí)被喚醒。

WaitGroup 中的信號(hào)量

在 WaitGroup 中，使用了信號(hào)量來實(shí)現(xiàn) goroutine 的阻塞以及喚醒：

• 在調(diào)用 Wait 的地方，goroutine 會(huì)陷入阻塞，直到信號(hào)量大于等于 0 的時(shí)候解除阻塞狀態(tài)，得以繼續(xù)執(zhí)行。
• 在調(diào)用 Done 的時(shí)候，如果 WaitGroup 內(nèi)的等待協(xié)程的計(jì)數(shù)器減到 0 的時(shí)候，信號(hào)量會(huì)進(jìn)行遞增，這樣那些阻塞的協(xié)程會(huì)進(jìn)行執(zhí)行下去。

WaitGroup 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

type WaitGroup struct {
   noCopy noCopy
   // 高 32 位為計(jì)數(shù)器，低 32 位為等待者數(shù)量
   state atomic.Uint64
   sema  uint32
}

noCopy

我們發(fā)現(xiàn)，WaitGroup 中有一個(gè)字段 noCopy，顧名思義，它的目的是防止復(fù)制。 這個(gè)字段在運(yùn)行時(shí)是沒有什么影響的，但是我們通過 go vet 可以發(fā)現(xiàn)我們對(duì) WaitGroup 的復(fù)制。 為什么不能復(fù)制呢？因?yàn)橐坏?fù)制，WaitGroup 內(nèi)的計(jì)數(shù)器就不再準(zhǔn)確了，比如下面這個(gè)例子：

func test(wg sync.WaitGroup) {
   wg.Done()
}
func TestWaitGroup(t *testing.T) {
   var wg sync.WaitGroup
   wg.Add(1)
   test(wg)
   wg.Wait()
}

go 里面的函數(shù)參數(shù)傳遞是值傳遞。調(diào)用 test(wg) 的時(shí)候?qū)?WaitGroup 復(fù)制了一份。

在這個(gè)例子中，程序會(huì)永遠(yuǎn)阻塞下去，因?yàn)?test 中調(diào)用 wg.Done() 的時(shí)候，只是將 WaitGroup 副本的計(jì)數(shù)器減去了 1， 而 TestWaitGroup 里面的 WaitGroup 的計(jì)數(shù)器并沒有發(fā)生改變，因此 Wait 會(huì)永遠(yuǎn)阻塞。

我們?nèi)绻枰獙?WaitGroup 作為參數(shù)，請(qǐng)傳遞指針：

func test(wg *sync.WaitGroup) {
   wg.Done()
}

傳遞指針之后，我們?cè)?test 中調(diào)用 wg.Done() 修改的就是 TestWaitGroup 里面同一個(gè) WaitGroup。 從而，Wait 方法可以正常返回。

state

WaitGroup 里面的 state 是一個(gè) 64 位的 atomic.Uint64 類型，它的高 32 位用來保存 counter（也就是上面說的計(jì)數(shù)器），低 32 位用來保存 waiter（也就是阻塞在 Wait 上的 goroutine 數(shù)量。）

sema

WaitGroup 通過 sema 來記錄信號(hào)量：

• runtime_Semrelease 表示將信號(hào)量遞增（對(duì)應(yīng)信號(hào)量中的 signal 操作）
• runtime_Semacquire 表示將信號(hào)量遞減（對(duì)應(yīng)信號(hào)量中的 wait 操作）

簡單來說，在調(diào)用 runtime_Semacquire 的時(shí)候 goroutine 會(huì)阻塞，而調(diào)用 runtime_Semrelease 會(huì)喚醒阻塞在同一個(gè)信號(hào)量上的 goroutine。

WaitGroup 的三個(gè)基本操作

• Add: 這會(huì)將 WaitGroup 里面的 counter 加上一個(gè)整數(shù)（也就是傳遞給 Add 的函數(shù)參數(shù)）。
• Done: 這會(huì)將 WaitGroup 里面的 counter 減去 1。
• Wait: 這會(huì)將 WaitGroup 里面的 waiter 加上 1，并且調(diào)用 Wait 的地方會(huì)阻塞。（有可能會(huì)有多個(gè) goroutine 等待一個(gè) WaitGroup）

WaitGroup 的實(shí)現(xiàn)

Add 的實(shí)現(xiàn)

Add 做了下面兩件事：

• 將 delta 加到 state 的高 32 位上
• 如果 counter 為 0 了，并且 waiter 大于 0，表示所有被等待的 goroutine 都完成了，而還有在等待的 goroutine，這會(huì)喚醒那些阻塞在 Wait 上的 goroutine。

源碼實(shí)現(xiàn)：

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
   // wg.state 的計(jì)數(shù)器加上 delta
   //（加到 state 的高 32 上）
   state := wg.state.Add(uint64(delta) << 32) // 高 32 位加上 delta
   v := int32(state >> 32)                    // 高 32 位（counter）
   w := uint32(state)                         // 低 32 位（waiter）
   // 計(jì)數(shù)器不能為負(fù)數(shù)（加上 delta 之后不能為負(fù)數(shù)，最小只能到 0）
   if v < 0 {
      panic("sync: negative WaitGroup counter")
   }
   // 正常使用情況下，是先調(diào)用 Add 再調(diào)用 Wait 的，這種情況下，w 是 0，v > 0
   if w != 0 && delta > 0 && v == int32(delta) {
      panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
   }
   // v > 0，計(jì)數(shù)器大于 0
   // w == 0，沒有在 Wait 的協(xié)程
   // 說明還沒有到喚醒 waiter 的時(shí)候
   if v > 0 || w == 0 {
      return
   }
   // Add 負(fù)數(shù)的時(shí)候，v 會(huì)減去對(duì)應(yīng)的數(shù)值，減到最后 v 是 0。
   // 計(jì)數(shù)器是 0，并且有等待的協(xié)程，現(xiàn)在要喚醒這些協(xié)程。
   // 存在等待的協(xié)程時(shí)，goroutine 已將計(jì)數(shù)器設(shè)置為0。
   // 現(xiàn)在不可能同時(shí)出現(xiàn)狀態(tài)突變：
   // - Add 不能與 Wait 同時(shí)發(fā)生，
   // - 如果看到計(jì)數(shù)器==0，則 Wait 不會(huì)增加等待的協(xié)程。
   // 仍然要做一個(gè)廉價(jià)的健康檢查，以檢測(cè) WaitGroup 的誤用。
   if wg.state.Load() != state { // 不能在 Add 的同時(shí)調(diào)用 Wait
      panic("sync: WaitGroup misuse: Add called concurrently with Wait")
   }
   // 將等待的協(xié)程數(shù)量設(shè)置為 0。
   wg.state.Store(0)
   for ; w != 0; w-- {
      // signal，調(diào)用 Wait 的地方會(huì)解除阻塞
      runtime_Semrelease(&wg.sema, false, 0) // goyield
   }
}

Done 的實(shí)現(xiàn)

WaitGroup 里的 Done 其實(shí)只是對(duì) Add 的調(diào)用，但是它的效果是，將計(jì)數(shù)器的值減去 1。 背后的含義是：一個(gè)被等待的協(xié)程執(zhí)行完畢了。

Wait 的實(shí)現(xiàn)

Wait 主要功能是阻塞當(dāng)前的協(xié)程：

• Wait 會(huì)先判斷計(jì)數(shù)器是否為 0，為 0 說明沒有任何需要等待的協(xié)程，那么就可以直接返回了。
• 如果計(jì)數(shù)器還不是 0，說明有協(xié)程還沒執(zhí)行完，那么調(diào)用 Wait 的地方就需要被阻塞起來，等待所有的協(xié)程完成。

源碼實(shí)現(xiàn)：

func (wg *WaitGroup) Wait() {
   for {
      // 獲取當(dāng)前計(jì)數(shù)器
      state := wg.state.Load()
      // 計(jì)數(shù)器
      v := int32(state >> 32)
      // waiter 數(shù)量
      w := uint32(state)
      // v 為 0，不需要等待，直接返回
      if v == 0 {
         // 計(jì)數(shù)器是 0，不需要等待
         return
      }
      // 增加 waiter 數(shù)量。
      // 調(diào)用一次 Wait，waiter 數(shù)量會(huì)加 1。
      if wg.state.CompareAndSwap(state, state+1) {
         // 這會(huì)阻塞，直到 sema (信號(hào)量)大于 0
         runtime_Semacquire(&wg.sema) // goparkunlock
         // state 不等 0
         // wait 還沒有返回又繼續(xù)使用了 WaitGroup
         if wg.state.Load() != 0 {
            panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned")
         }
         // 解除阻塞狀態(tài)了，可以返回了
         return
      }
      // 狀態(tài)沒有修改成功（state 沒有成功 +1），開始下一次嘗試。
   }
}

總結(jié)

• WaitGroup 使用了信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)了并發(fā)資源控制，sema 字段表示信號(hào)量。
• 使用 runtime_Semacquire 會(huì)使得 goroutine 阻塞直到計(jì)數(shù)器減少至 0，而使用 runtime_Semrelease 會(huì)使得信號(hào)量遞增，這等于是通知之前阻塞在信號(hào)量上的協(xié)程，告訴它們可以繼續(xù)執(zhí)行了。
• WaitGroup 作為參數(shù)傳遞的時(shí)候，需要傳遞指針作為參數(shù)，否則在被調(diào)用函數(shù)內(nèi)對(duì) Add 或者 Done 的調(diào)用，在 caller 里面調(diào)用的 Wait 會(huì)觀測(cè)不到。
• WaitGroup 使用一個(gè) 64 位的數(shù)來保存計(jì)數(shù)器（高 32 位）和 waiter（低 32 位，正在等待的協(xié)程的數(shù)量）。
• WaitGroup 使用 Add 增加計(jì)數(shù)器，使用 Done 來將計(jì)數(shù)器減 1，使用 Wait 來等待 goroutine。Wait 會(huì)阻塞直到計(jì)數(shù)器減少到 0。

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