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27 | 条件变量sync.Cond (上)

27 | 条件变量sync.Cond (上)-极客时间

27 | 条件变量sync.Cond (上)

讲述:黄洲君

时长10:46大小4.92M

在上篇文章中,我们主要说的是互斥锁,今天我和你来聊一聊条件变量(conditional variable)。

前导内容:条件变量与互斥锁

我们常常会把条件变量这个同步工具拿来与互斥锁一起讨论。实际上,条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能发挥作用。
条件变量并不是被用来保护临界区和共享资源的,它是用于协调想要访问共享资源的那些线程的。当共享资源的状态发生变化时,它可以被用来通知被互斥锁阻塞的线程。
比如说,我们两个人在共同执行一项秘密任务,这需要在不直接联系和见面的前提下进行。我需要向一个信箱里放置情报,你需要从这个信箱中获取情报。这个信箱就相当于一个共享资源,而我们就分别是进行写操作的线程和进行读操作的线程。
如果我在放置的时候发现信箱里还有未被取走的情报,那就不再放置,而先返回。另一方面,如果你在获取的时候发现信箱里没有情报,那也只能先回去了。这就相当于写的线程或读的线程阻塞的情况。
虽然我们俩都有信箱的钥匙,但是同一时刻只能有一个人插入钥匙并打开信箱,这就是锁的作用了。更何况咱们俩是不能直接见面的,所以这个信箱本身就可以被视为一个临界区。
尽管没有协调好,咱们俩仍然要想方设法的完成任务啊。所以,如果信箱里有情报,而你却迟迟未取走,那我就需要每过一段时间带着新情报去检查一次,若发现信箱空了,我就需要及时地把新情报放到里面。
另一方面,如果信箱里一直没有情报,那你也要每过一段时间去打开看看,一旦有了情报就及时地取走。这么做是可以的,但就是太危险了,很容易被敌人发现。
后来,我们又想了一个计策,各自雇佣了一个不起眼的小孩儿。如果早上七点有一个戴红色帽子的小孩儿从你家楼下路过,那么就意味着信箱里有了新情报。另一边,如果上午九点有一个戴蓝色帽子的小孩儿从我家楼下路过,那就说明你已经从信箱中取走了情报。
这样一来,咱们执行任务的隐蔽性高多了,并且效率的提升非常显著。这两个戴不同颜色帽子的小孩儿就相当于条件变量,在共享资源的状态产生变化的时候,起到了通知的作用。
当然了,我们是在用 Go 语言编写程序,而不是在执行什么秘密任务。因此,条件变量在这里的最大优势就是在效率方面的提升。当共享资源的状态不满足条件的时候,想操作它的线程再也不用循环往复地做检查了,只要等待通知就好了。
说到这里,想考考你知道怎么使用条件变量吗?所以,我们今天的问题就是:条件变量怎样与互斥锁配合使用?
这道题的典型回答是:条件变量的初始化离不开互斥锁,并且它的方法有的也是基于互斥锁的。
条件变量提供的方法有三个:等待通知(wait)、单发通知(signal)和广播通知(broadcast)。
我们在利用条件变量等待通知的时候,需要在它基于的那个互斥锁保护下进行。而在进行单发通知或广播通知的时候,却是恰恰相反的,也就是说,需要在对应的互斥锁解锁之后再做这两种操作。

问题解析

这个问题看起来很简单,但其实可以基于它, 延伸出很多其他的问题。比如,每个方法的使用时机是什么?又比如,每个方法执行的内部流程是怎样的?
下面,我们一边用代码实现前面那个例子,一边讨论条件变量的使用。
首先,我们先来创建如下几个变量。
var mailbox uint8
var lock sync.RWMutex
sendCond := sync.NewCond(&lock)
recvCond := sync.NewCond(lock.RLocker())
变量mailbox代表信箱,是uint8类型的。 若它的值为0则表示信箱中没有情报,而当它的值为1时则说明信箱中有情报。lock是一个类型为sync.RWMutex的变量,是一个读写锁,也可以被视为信箱上的那把锁。
另外,基于这把锁,我还创建了两个代表条件变量的变量,名字分别叫sendCondrecvCond 它们都是*sync.Cond类型的,同时也都是由sync.NewCond函数来初始化的。
sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型不同,sync.Cond类型并不是开箱即用的。我们只能利用sync.NewCond函数创建它的指针值。这个函数需要一个sync.Locker类型的参数值。
还记得吗?我在前面说过,条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能够起作用。因此,这里的参数值是不可或缺的,它会参与到条件变量的方法实现当中。
sync.Locker其实是一个接口,在它的声明中只包含了两个方法定义,即:Lock()Unlock()sync.Mutex类型和sync.RWMutex类型都拥有Lock方法和Unlock方法,只不过它们都是指针方法。因此,这两个类型的指针类型才是sync.Locker接口的实现类型。
我在为sendCond变量做初始化的时候,把基于lock变量的指针值传给了sync.NewCond函数。
原因是,lock变量的Lock方法和Unlock方法分别用于对其中写锁的锁定和解锁,它们与sendCond变量的含义是对应的。sendCond是专门为放置情报而准备的条件变量,向信箱里放置情报,可以被视为对共享资源的写操作。
相应的,recvCond变量代表的是专门为获取情报而准备的条件变量。 虽然获取情报也会涉及对信箱状态的改变,但是好在做这件事的人只会有你一个,而且我们也需要借此了解一下,条件变量与读写锁中的读锁的联用方式。所以,在这里,我们暂且把获取情报看做是对共享资源的读操作。
因此,为了初始化recvCond这个条件变量,我们需要的是lock变量中的读锁,并且还需要是sync.Locker类型的。
可是,lock变量中用于对读锁进行锁定和解锁的方法却是RLockRUnlock,它们与sync.Locker接口中定义的方法并不匹配。
好在sync.RWMutex类型的RLocker方法可以实现这一需求。我们只要在调用sync.NewCond函数时,传入调用表达式lock.RLocker()的结果值,就可以使该函数返回符合要求的条件变量了。
为什么说通过lock.RLocker()得来的值就是lock变量中的读锁呢?实际上,这个值所拥有的Lock方法和Unlock方法,在其内部会分别调用lock变量的RLock方法和RUnlock方法。也就是说,前两个方法仅仅是后两个方法的代理而已。
好了,我们现在有四个变量。一个是代表信箱的mailbox,一个是代表信箱上的锁的lock。还有两个是,代表了蓝帽子小孩儿的sendCond,以及代表了红帽子小孩儿的recvCond
(互斥锁与条件变量)
我,现在是一个 goroutine(携带的go函数),想要适时地向信箱里放置情报并通知你,应该怎么做呢?
lock.Lock()
for mailbox == 1 {
sendCond.Wait()
}
mailbox = 1
lock.Unlock()
recvCond.Signal()
我肯定需要先调用lock变量的Lock方法。注意,这个Lock方法在这里意味的是:持有信箱上的锁,并且有打开信箱的权利,而不是锁上这个锁。
然后,我要检查mailbox变量的值是否等于1,也就是说,要看看信箱里是不是还存有情报。如果还有情报,那么我就回家去等蓝帽子小孩儿了。
这就是那条for语句以及其中的调用表达式sendCond.Wait()所表示的含义了。你可能会问,为什么这里是for语句而不是if语句呢?我在后面会对此进行解释的。
我们再往后看,如果信箱里没有情报,那么我就把新情报放进去,关上信箱、锁上锁,然后离开。用代码表达出来就是mailbox = 1lock.Unlock()
离开之后我还要做一件事,那就是让红帽子小孩儿准时去你家楼下路过。也就是说,我会及时地通知你“信箱里已经有新情报了”,我们调用recvCondSignal方法就可以实现这一步骤。
另一方面,你现在是另一个 goroutine,想要适时地从信箱中获取情报,然后通知我。
lock.RLock()
for mailbox == 0 {
recvCond.Wait()
}
mailbox = 0
lock.RUnlock()
sendCond.Signal()
你跟我做的事情在流程上其实基本一致,只不过每一步操作的对象是不同的。你需要调用的是lock变量的RLock方法。因为你要进行的是读操作,并且会使用recvCond变量作为辅助。recvCondlock变量的读锁是对应的。
在打开信箱后,你要关注的是信箱里是不是没有情报,也就是检查mailbox变量的值是否等于0。如果它确实等于0,那么你就需要回家去等红帽子小孩儿,也就是调用recvCondWait方法。这里使用的依然是for语句。
如果信箱里有情报,那么你就应该取走情报,关上信箱、锁上锁,然后离开。对应的代码是mailbox = 0lock.RUnlock()。之后,你还需要让蓝帽子小孩儿准时去我家楼下路过。这样我就知道信箱中的情报已经被你获取了。
以上这些,就是对咱们俩要执行秘密任务的代码实现。其中的条件变量的用法需要你特别注意。
再强调一下,只要条件不满足,我就会通过调用sendCond变量的Wait方法,去等待你的通知,只有在收到通知之后我才会再次检查信箱。
另外,当我需要通知你的时候,我会调用recvCond变量的Signal方法。你使用这两个条件变量的方式正好与我相反。你可能也看出来了,利用条件变量可以实现单向的通知,而双向的通知则需要两个条件变量。这也是条件变量的基本使用规则。
你可以打开 demo61.go 文件,看到上述例子的全部实现代码。

总结

我们这两期的文章会围绕条件变量的内容展开,条件变量是基于互斥锁的一种同步工具,它必须有互斥锁的支撑才能发挥作用。 条件变量可以协调那些想要访问共享资源的线程。当共享资源的状态发生变化时,它可以被用来通知被互斥锁阻塞的线程。我在文章举了一个两人访问信箱的例子,并用代码实现了这个过程。

思考题

*sync.Cond类型的值可以被传递吗?那sync.Cond类型的值呢?
感谢你的收听,我们下期再见。
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提建议

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精选留言(41)

  • hello peter
    2018-10-26
    老师, 感觉这个送信的例子似乎用chanel实现更简单.在网上也查了一些例子, 发现都可以用chanel替代. 那使用sync.Cond 的优势是什么呢, 或者有哪些独特的使用场景?

    作者回复: 优势是并发流程上的协同,chan的主要任务是传递数据。另外cond是更低层次的工具,效率更高一些,但是肯定没有chan方便。

    共 2 条评论
    36
  • 属雨
    2018-10-12
    个人理解,不确定对不对,请老师评判一下: 因为Go语言传递对象时,使用的是浅拷贝的值传递,所以,当传递一个Cond对象时复制了这个Cond对象,但是低层保存的L(Locker类型),noCopy(noCopy类型),notify(notifyList类型),checker(copyChecker)对象的指针没变,因此,*sync.Cond和sync.Cond都可以传递。

    作者回复: 基本正确。Locker是接口,是引用类型,nocopy是结构体,所以直接拷贝值的话,底层锁还是用的同一个,使用上容易出问题。

    31
  • 传说中的成大大
    2020-04-09
    这几天一直对条件变量的理解比较模糊,但是我想既然要学就学好 于是又去翻了Unix环境高级编程 总算把它跟互斥锁区分开了 互斥锁 是对一个共享区域进行加锁 所有线程都是一种竞争的状态去访问 而条件变量 主要是通过条件状态来判断,实际上他还是会阻塞 只不过不会像互斥锁一样去参与竞争,而是在哪里等待条件变量的状态发生改变过后的通知 再被唤醒

    作者回复: 👍

    15
  • Geek_a8be59
    2019-08-12
    var mailbox uint8 var lock sync.RWMutex sendCond := sync.NewCond(&lock) recvCond := sync.NewCond(&lock) 为什么不能向上面那样都用同一个互斥量,非要两个不同呢?老师,能讲一下区别么

    作者回复: 如果都用同一个互斥量的话,操作双方就无法独立行事,这就是完全串行的操作了,效率上会大打折扣。 进一步说,本来就是一个发一个收,理应一个用写锁一个用读锁,这样效率高,之后扩展起来也方便。因为读之间不用互斥。

    共 3 条评论
    13
  • 疯琴
    2019-12-10
    秘密接头的类比形象生动,学习过程轻松有趣又不失深度。
    7
  • 文@雨路
    2018-10-12
    指针可以传递,值不可以,传递值会拷贝一份,导致出现两份条件变量,彼此之间没有联系
    6
  • 🐻
    2019-04-09
    需传递 *sync.Cond 因为 Cond 结构体中的 notify 变量和 checker 变量都是值类型,传递sync.Cond 会复制值,这样两个锁保留的被阻塞的 Goroutine 就不同了。
    6
  • beiliu
    2018-12-31
    您好,老师,官方文档是建议,singal在锁住的情况下使用的“Signal唤醒等待c的一个线程(如果存在)。调用者在调用本方法时,建议(但并非必须)保持c.L的锁定“
    5
  • ming
    2018-12-17
    多routine从信箱中获取情报, 都在等mailbox变量的值不为0的时候再把它的值变为0, 这个 RLock 限制不了写操作,可能会有多个routine同时将 mailbox 变为0的,跟文中的场景有些不合。 不知道我理解的有没有问题
    共 3 条评论
    5
  • q
    2020-11-03
    个人感觉,从底层原理解释条件变量可能更容易理解
    4
  • 郭星
    2020-09-02
    在for 循环中使用 wait,在我的测试中,当条件变量处于wait状态时,如果没有唤醒,当前协程会一直阻塞等待在wait这行代码,因此使用for 和 使用if 实际最终结果是相同的,为什么要使用for呢? package lesson27 import ( "sync" "testing" "time" ) // 利用条件变量实现协调多协程发取信件操作 func TestCond(t *testing.T) { var wg sync.WaitGroup var mu sync.RWMutex // 信箱 mail := false // 两个条件变量 // 发送信条件变量 sendCond := sync.NewCond(&mu) // 接收信条件变量, 对于接收实际是只读操作,因此只需要使用读锁就可以 receiveCond := sync.NewCond(mu.RLocker()) // 最大发送接收次数 max := 5 wg.Add(2) // 发送人协程 go func(i int) { for ; i > 0; i-- { time.Sleep(time.Second * 3) mu.Lock() // 如果信箱不为空,则需要等待 //for mail { if mail { // 发送者等待 t.Log("sendCond准备进入等待队列") sendCond.Wait() t.Log("sendCond进入等待队列") } mail = true t.Log("发送信件成功") mu.Unlock() // 通知发送者 receiveCond.Signal() t.Log("唤醒receiveCond") } wg.Done() }(max) go func(i int) { for ; i > 0; i-- { mu.RLock() //for !mail { if !mail { //接收者等待 t.Log("receiveCond准备进入等待队列") receiveCond.Wait() // 如果没有被唤醒会一直阻塞在此 t.Log("receiveCond进入等待队列") } mail = false t.Log("获取信件成功") mu.RUnlock() // 通知接收者 sendCond.Signal() t.Log("唤醒sendCond") } wg.Done() }(max) wg.Wait() }
    展开

    作者回复: 我在文章里说了啊,有可能会碰到“假唤醒”的情况。而且,如果存在“有多个wait但只需唤醒一个”的情况,也需要用for语句。在for语句里,唤醒后可以再次检查状态,如果状态符合就开始后续工作,如果不符合就再次wait。用if语句就办不到。

    4
  • 会玩code
    2020-05-15
    老师,不懂这里的recvCond为什么可以用读锁呢?这里也是有对资源做操作的呀(将mailbox置为0),用读锁不会有问题吗?

    作者回复: 在只有一个“取信者”的情况下,这里使用读锁是没问题的。但如果有多个“取信者”就需要用写锁啦。你可以看一看下一篇文章对应的demo文件(demo62.go),其中就有多个“取信者”的演示。

    共 2 条评论
    2
  • 啦啦啦
    2022-06-07
    想请问下老师,两个goroutine都使用了同一把锁,26讲(Mutex)里不是说明,尽量使用:是让每一个互斥锁都只保护一个临界区或一组相关临界区。有点搞不明白,望老师指点 go func(max int) { // 用于发信。 defer func() { sign <- struct{}{} }() for i := 1; i <= max; i++ { time.Sleep(time.Millisecond * 500) lock.Lock() for mailbox == 1 { sendCond.Wait() } log.Printf("sender [%d]: the mailbox is empty.", i) mailbox = 1 log.Printf("sender [%d]: the letter has been sent.", i) lock.Unlock() recvCond.Signal() } }(max) go func(max int) { // 用于收信。 defer func() { sign <- struct{}{} }() for j := 1; j <= max; j++ { time.Sleep(time.Millisecond * 500) lock.RLock() for mailbox == 0 { recvCond.Wait() } log.Printf("receiver [%d]: the mailbox is full.", j) mailbox = 0 log.Printf("receiver [%d]: the letter has been received.", j) lock.RUnlock() sendCond.Signal() } }(max)
    展开

    作者回复: “一组相关临界区”可以是操作同一个共享资源的多段代码,也可以是在逻辑上有强相关关系的多段代码。在这里,这两段代码都是针对 mailbox 变量的,属于前者。只不过其中还夹杂了 不同条件变量 的 Wait 操作。 我总体再说一下吧,我们可以从两个维度来理解互斥锁的保护作用: 1. 多个goroutine并发执行同一段代码(如一个函数或方法),且这段代码访问或修改了共享的状态或资源。这时候,我们需要使用互斥锁保护这段代码。这相当于保护了那个共享状态或资源。这里的“这段代码”就是一个临界区。 2. (如本例)多个goroutine中的代码(确切地说,是go函数)直接访问或修改了共享的状态或资源。这时候,我们往往就需要使用同一个互斥锁同时去保护那几段相关的代码。这里的几段代码各自成为独立的临界区,但它们是相关的。这就是我说的“一组相关的临界区”。 以上这两个维度说的就是互斥锁的常用场景。一个是“单段代码的并发执行”,一个是“多段代码的各自执行(也是并发执行)”。关键是,不管是单段代码还是多段代码,它们都分别访问了同一个共享的东西。

    2
  • lesserror
    2021-08-15
    郝林老师,demo61.go 中的 两个go function(收信 和 发信),是怎么保证先 发信 后收信的呢? 不是说 go function 函数 的执行 是 随机的么? 我打印了很多遍,发现 都是执行的 发信 操作,然后是 收信 操作。

    作者回复: 正因为有了条件变量才会有这样的同步状态啊。条件变量就相当于信号弹的发射器。 双方各有一个信号弹发射器(就像示例程序中的 sendCond 和 recvCond)并互相发送信号,这就是 demo61 所做的。 这个程序你也可以这样理解: A 和 B 在下象棋。步骤如下: A 走了一步棋,并发送信号示意让 B 走一步; B 收到信号走了一步棋,然后反过来向 A 发送信号示意“我走了一步,该你了”; A 再走一步棋,并再次发射信号示意让 B 再走一步; B 再走一步后,再发射信号告诉 A; 如此循环往复。 再做一个类比: 单个条件变量用于“教官”指挥“士兵”,“教官”只能有一个,而“士兵”可以有多个(demo61 中只有一个士兵)。在 demo61 中,我们又多加了一个用于“反馈”的信号弹发射器。这样一来,“士兵”按照指挥行进一步之后,就可以及时告诉指挥官并请求下一步的行动了。

    2
  • www
    2020-06-28
    这篇讲解太棒了,看了lock.RLocker()的源码,又返回去看了前面第14篇讲解接口的文章。多看多写,逐步提升
    1
  • 😳
    2020-04-22
    这个类比生动形象,很有趣,简单易懂
    1
  • Lywane
    2020-03-27
    recvCond.Signal()表示接收方可以接受了,发送这个信号的是发送方。 sendCond.Signal()表示发送方可以再次发送了,发送这个信号的是接收方。
    1
  • lfn
    2020-01-16
    打卡,2020-01-16.
    1
  • 2019-07-29
    demo60太经典了 不仅体会到了锁的用法 还体会到了 如何利用chan 阻塞主线程 以使goroutine完全跑完 算是chan经典用法吧
    共 1 条评论
    1
  • ...
    2019-02-20
    老师 wait会释放锁吗

    作者回复: 每次执行结束前都会释放,要不其他goroutine没法进入锁保护的临界区。

    共 3 条评论
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