goroutiine同步/channel、互斥锁、读写锁、死锁/条件变量

1. Goroutine同步【数据同步】

• 为什么需要goroutine同步

• gorotine同步概念、以及同步的几种方式

1.1 为什么需要goroutine同步

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var A = 10
var wg = sync.WaitGroup{}

func Add(){
    defer wg.Done()
    for i:=0;i<1000000;i++{
        A += 1
    }
}

func main() {
	wg.Add(2)
    go Add()
    go Add()
	wg.Wait()
	fmt.Println(A)
}

# output：
1061865  # 每运行一次结果都不一样，但是都不是我们预期的结果2000000

多goroutine【多任务】，有共享资源，且多goroutine修改共享资源，出现数据不安全问题【数据错误】，保证数据安全一致，需要goroutine同步

1.2 goroutine同步

goroutine按照约定的顺序执行，解决数据不安全问题。

1.3 goroutine同步方式

• channel 【csp模型】

• 互斥锁 【传统同步机制】

• 读写锁 【传统同步机制】

• 条件变量 【传统同步机制】

2. 传统同步机制

2.1 互斥锁

2.1.1 特点

加锁成功则操作资源，加锁失败则等待直至锁加锁成功----所有的goroutine互斥,一个得到锁其他全部等待

解决了数据安全问题，降低了程序的性能,适用读写不太频繁的场景

2.1.2 锁颗粒度问题

颗粒度是指，加锁的范围，哪里使用资源哪里加锁，尽可能减少加锁范围

单元测试基本使用流程

• 新建单元测试文件

• 编写测试案例

• gotest运行生成对应的prof文件

• go tool 查看生成的prof文件

package main_test
import (
	"fmt"
	"sync"
	"testing"
)

var A = 10
var wg = sync.WaitGroup{}
var mux sync.Mutex

func Add(){
	defer wg.Done()
	for i:=0;i<1000000;i++{
        mux.Lock()
		A += 1
        mux.Unlock()
	}
}
/*
// 加大锁颗粒度
func Add(){
	defer wg.Done()
	mux.Lock()
	for i:=0;i<1000000;i++{
		A += 1
	}
	mux.Unlock()
}*/
// 单元测试格式,
func TestMux(t *testing.T) {
	wg.Add(2)
	go Add()
	go Add()
	wg.Wait()
	fmt.Println(A)
}

# 生成prof文件,-cpuprofile 参数指定生成什么类型的prof cpu.prof指定生成profile文件名字
go test mutex_test.go -cpuprofile cpu.prof

# 查看生成的prof文件,pprof 指定查看的文件类型
go tool pprof cpu.prof

# 下面是输出信息
Type: cpu
Time: Jul 10, 2019 at 2:38pm (CST)
Duration: 201.43ms, Total samples = 80ms (39.72%)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top  # 这里使用top命令查看测试中cpu使用的信息
Showing nodes accounting for 80ms, 100% of 80ms total
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
      60ms 75.00% 75.00%       60ms 75.00%  sync.(*Mutex).Unlock
      20ms 25.00%   100%       20ms 25.00%  sync.(*Mutex).Lock
         0     0%   100%       80ms   100%  command-line-arguments_test.Add
(pprof) svg  #svg 保存可视化文件，可以使用浏览器可视化查看
(pprof) list Add  # 查看对应函数的详细时间消耗信息

注意：

当前得测试案例，是程序设计的错误【这种快速计算性的，一个goroutine已经可以胜任，更多时候读写分离，互斥锁不适合这种频繁读写场景】，不是锁使用的错误

2.1.3 sync.once 源码阅读

// Once is an object that will perform exactly one action.
type Once struct {
	m    Mutex
	done uint32  // 标识是否已执行过任务，如果设置为1 则说明任务已执行过了
}

// DO 调用用户执行的方法，仅调用一次
func (o *Once) Do(f func()) {
    // 原子操作判断done，已被置成1，如果done是1 说明方法已被执行，直接返回
	if atomic.LoadUint32(&o.done) == 1 {
		return
	}

    // 加锁
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
    // done为0则开始，调用用户函数方法
	if o.done == 0 {
		defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
		f()
	}
}

2.2 读写锁

读写互斥，读者可以重复加锁。写加锁需要等待所有读者解锁，写加锁期间所有读者wait【写优先级高于读，读写同时加锁写着加锁先成功】

适用写少读多的场景，相比互斥锁可以一定程度提高程序性能

• 仅有读者

• 写着加锁更新数据

2.3 条件变量

条件变量的作用并不保证在同一时刻仅有一个协程（线程）访问某个共享的数据资源，而是在对应的共享数据的状态发生变化时，通知阻塞在某个条件上的协程（线程）。条件变量不是锁，在并发中不能达到同步的目的，因此条件变量总是与锁一块使用，可以认为条件变量是对锁的一种补充，某种程度上提高锁机制带来的效率低下的问题

2.3.1 条件变量API介绍

• 创建条件变量 【创建后不能被被拷贝】

// 参数传递一把锁，返回指针类型
cond:=sync.NewCond(&sync.Mutex{})

Cond.Wait() ，阻塞再条件变量上让出cup资源

// 阻塞在条件变量上面，会把当前gorotine挂载到Cond队列上面
cond.Wait()
// 1. 释放锁，并把自己挂载到通知队列，阻塞等待【原子操作】
// 2. 接收到唤醒信号，尝试获取锁
// 3. 获取锁成功则  返回

Cond.Signal() 随机唤醒一个阻塞在条件变量上的goroutine

// 唤醒阻塞在条件变量上的goroutine，处于wait【调用了cond.wait】状态的goroutine
// 随机唤醒通知队列上的一个线程,并从通知队列移除
cond.Signal()  // 发送唤醒信号

Cond.Broadcast() 广播通知所有处于wait状态的goroutine

// 广播通知所有处于wait状态的goroutine
// 通知通知队列上的所有的gorotine，并且把所有的goroutine从通知队列 取下来
cond.Broadcast()

2.3.2 条件变量在生产者消费模型中使用

• 潜在bug-->deadlock【生产者消费者都死锁在cond.wait，没有其他的goroutine唤醒】

package main
import "fmt"
import "sync"
import "math/rand"
import "time"

var cond sync.Cond             // 创建全局条件变量

// 生产者
func producer(out chan<- int, idx int) {
   for {
      cond.L.Lock()           	// 条件变量对应互斥锁加锁
      for len(out) == 3 {          	// 产品区满 等待消费者消费
         cond.Wait()             	// 挂起当前协程， 等待条件变量满足，被消费者唤醒
      }
      num := rand.Intn(1000) 	// 产生一个随机数
      out <- num             	// 写入到 channel 中 （生产）
      fmt.Printf("%dth 生产者，产生数据 %3d, 公共区剩余%d个数据\n", idx, num, len(out))
      cond.L.Unlock()             	// 生产结束，解锁互斥锁
      cond.Signal()           	// 唤醒 阻塞的 消费者
      time.Sleep(time.Second)       // 生产完休息一会，给其他协程执行机会, 解决了死锁机会的降低
   }
}
//消费者
func consumer(in <-chan int, idx int) {
   for {
      cond.L.Lock()           	// 条件变量对应互斥锁加锁（与生产者是同一个）
      for len(in) == 0 {      	// 产品区为空 等待生产者生产
         cond.Wait()             	// 挂起当前协程， 等待条件变量满足，被生产者唤醒
      }
      num := <-in                	// 将 channel 中的数据读走 （消费）
      fmt.Printf("---- %dth 消费者, 消费数据 %3d,公共区剩余%d个数据\n", idx, num, len(in))
      cond.L.Unlock()             	// 消费结束，解锁互斥锁
      cond.Signal()           	// 唤醒 阻塞的 生产者
      time.Sleep(time.Millisecond * 500)    	//消费完 休息一会，给其他协程执行机会, 解决了死锁机会的降低
   }
}
func main() {
   rand.Seed(time.Now().UnixNano())  // 设置随机数种子
   quit := make(chan bool)           // 创建用于结束通信的 channel

   product := make(chan int, 3)      // 产品区（公共区）使用channel 模拟
   cond.L = new(sync.Mutex)          // 创建互斥锁和条件变量

   for i := 0; i < 5; i++ {          // 5个消费者
      go producer(product, i+1)
   }
   for i := 0; i < 3; i++ {          // 3个生产者
      go consumer(product, i+1)
   }
   <-quit                         	// 主协程阻塞 不结束
}

• deadlock原因剖析【极值法】

  1. 极端处理： 1个生产者 2 消费 channle 缓存1

  2. 由于极端一些情况，会导致所有的生产者与消费者都会进入到一个wait 状态，没有人唤醒

• 解决bug----单向唤醒，由生产者唤醒消费者

  唤醒方向问题： 由速率低的一方唤醒速率高的一方

package main
import (
	"fmt"
	"runtime"
)
import "sync"
import "math/rand"
import "time"

var cond sync.Cond             // 创建全局条件变量

// 生产者
func producer(out chan<- int, idx int) {
	for {
		num := rand.Intn(1000) 	// 产生一个随机数
		cond.L.Lock()           	// 条件变量对应互斥锁加锁
		select {
		// 尝试向channel写入数据
		case out <- num:
			fmt.Printf("%dth 生产者，产生数据 %3d, 公共区剩余%d个数据\n", idx, num, len(out))
		default:
		}
		cond.L.Unlock()             	// 生产结束，解锁互斥锁
		cond.Signal()           	// 唤醒 阻塞的 消费者
		runtime.Gosched()			// 给别更多的机会创建锁
	}
}
//消费者
func consumer(in <-chan int, idx int) {
	var num int
	for {
		cond.L.Lock()           	// 条件变量对应互斥锁加锁（与生产者是同一个）
		for len(in)==0{
			cond.Wait()
		}
		num=<-in
		fmt.Printf("%dth 消费者，消费了 %d, 公共区剩余%d个数据\n", idx, num, len(in))
		cond.L.Unlock()             	// 消费结束，解锁互斥锁
	}
}
func main() {
	rand.Seed(time.Now().UnixNano())  // 设置随机数种子
	quit := make(chan bool)           // 创建用于结束通信的 channel

	product := make(chan int, 3)      // 产品区（公共区）使用channel 模拟
	cond.L = new(sync.Mutex)          // 创建互斥锁和条件变量

	for i := 0; i < 3; i++ {          // 3个生产者
		go producer(product, i+1)
	}
	for i := 0; i < 5; i++ {          // 5个消费者
		go consumer(product, i+1)
}
	<-quit                         	// 主协程阻塞 不结束
}

问题：

当我们把条件变量取消，使用带缓存的channel，同样很好的完成生产者与消费者模型【channel空与非空主动阻塞等待，直至解除阻塞】，why use cond？

2.3.3 channel vs sync.Cond

使用channel通知多个关注条件的goroutine问题?

关闭的channle 与广播的作用，仅仅单次使用

当状态多重情况的时候，channel 不行了，使用cond广播的方式进行状态更新