GO的條件變量

一、條件變量與互斥鎖

• 條件變量是基于互斥鎖的，它必須基于互斥鎖才能發(fā)揮作用；
• 條件變量并不是用來保護(hù)臨界區(qū)和共享資源的，它是用來協(xié)調(diào)想要訪問共享資源的那些線程的；
• 在Go語言中，條件變量最大的優(yōu)勢是效率方面的提升。當(dāng)共享資源不滿足條件的時(shí)候，想操作它的線程不用循環(huán)往返地檢查了，只要等待通知就好了。

二、條件變量與互斥鎖的配合使用

條件變量的初始化離不開互斥鎖，并且它的方法有點(diǎn)也是基于互斥鎖的。

條件變量提供的三個(gè)方法：等待通知（wait）、單發(fā)通知（signal）、廣發(fā)通知（broadcast）。

三、條件變量的使用

（1）創(chuàng)建鎖和條件

	// mailbox 代表信箱
	// 0 代表信箱是空的，1代表信箱是滿的
	var mailbox uint8
	// lock 代表信箱上的鎖
	var lock sync.RWMutex
	// sendCond 代表專用于發(fā)信的條件變量
	var sendCond = sync.NewCond(&lock)
	// reveCond 代表專用于收信的條件變量
	var reveCond = sync.NewCond(lock.RLocker())

• sync.Cond類型并不是開箱即用的，只能利用sync.NewCond創(chuàng)建它的指針值。這個(gè)函數(shù)需要sync.Locker類型的參數(shù)值。
• sync.Locker是一個(gè)接口，它包含兩個(gè)指針方法，即Lock()和Unlock()；因此，sync.Mutex 和sync.RWMutex這兩個(gè)類型的指針類型才是sync.Locker接口的實(shí)現(xiàn)類型。
• 上面lock變量的Lock方法和Unlock方法分別用于對其中寫鎖的鎖定和解鎖，它們與sendCond變量的含義對應(yīng)。
• lock.RLocker()得到的值，擁有Lock和Unlock方法，其內(nèi)部會(huì)分別調(diào)用lock變量的RLock方法和RUnlock方法；

（2）使用

lock.Lock()
for mailbox == 1 {
 sendCond.Wait()
}
mailbox = 1
lock.Unlock()
recvCond.Signal()

lock.RLock()
for mailbox == 0 {
 recvCond.Wait()
}
mailbox = 0
lock.RUnlock()
sendCond.Signal()

完整代碼：

package main

import (
	"log"
	"sync"
	"time"
)

func main() {
	// mailbox 代表信箱
	// 0 代表信箱是空的，1代表信箱是滿的
	var mailbox uint8
	// lock 代表信箱上的鎖
	var lock sync.RWMutex
	// sendCond 代表專用于發(fā)信的條件變量
	var sendCond = sync.NewCond(&lock)
	// reveCond 代表專用于收信的條件變量
	var reveCond = sync.NewCond(lock.RLocker())

	// sign 用于傳遞演示完成的信號(hào)
	sign := make(chan struct{}, 2)
	max := 5
	go func(max int) { // 用于發(fā)信
		defer func() {
			sign <- struct{}{}
		}()
		for i := 1; i <= max; i++ {
			time.Sleep(time.Millisecond * 5)
			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()
			reveCond.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 {
				reveCond.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)

	<-sign
	<-sign
}

四、條件變量的Wait方法做了什么

（1）條件變量Wait方法主要做的四件事

條件變量的Wait方法主要做了四件事：

• 把調(diào)用它的goroutine（也就是當(dāng)前goroutine）加入到當(dāng)前條件變量的通知隊(duì)列中；
• 解鎖當(dāng)前條件變量基于的那個(gè)互斥鎖；
• 讓當(dāng)前的goroutine處于等待狀態(tài)，等到通知到來時(shí)再?zèng)Q定是否喚醒它。此時(shí)，這個(gè)goroutine就會(huì)阻塞在調(diào)用這個(gè)Wait方法的那行代碼上；
• 如果通知到來并決定喚醒這個(gè)goroutine，那么就在喚醒它之后重新鎖定當(dāng)前條件變量基于的互斥鎖。自此以后，當(dāng)前的goroutine就會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼了。

（2）為什么要先要鎖定條件變量基于的互斥鎖，才能調(diào)用它的wait方法

因?yàn)闂l件變量的wait方法在阻塞當(dāng)前的goroutine之前，會(huì)解鎖它基于的互斥鎖。所以在調(diào)用wait方法之前，必須先鎖定這個(gè)互斥鎖，否則在調(diào)用這個(gè)wait方法時(shí)，就會(huì)引發(fā)一個(gè)不可恢復(fù)的panic。

如果條件變量的Wait方法不先解鎖互斥鎖的話，那就會(huì)造成兩個(gè)后果：不是當(dāng)前的程序因panic而崩潰，就是相關(guān)的goroutine全面阻塞。

（3）為什么用for語句來包裹調(diào)用的wait方法表達(dá)式，用if語句不行嗎

if語句只會(huì)對共享資源的狀態(tài)檢查一次，而for語句卻可以做多次檢查，直到這個(gè)狀態(tài)改變?yōu)橹埂?/p>

之所以做多次檢查，主要是為了保險(xiǎn)起見。如果一個(gè)goroutine因收到通知而被喚醒，但卻發(fā)現(xiàn)共享資源的狀態(tài)，依然不符合它的要求i，那么就應(yīng)該再次調(diào)用條件變量的Wait方法，并繼續(xù)等待下次通知的到來。

這種情況是很有可能發(fā)生的，具體如下面所示：

• 有多個(gè) goroutine 在等待共享資源的同一種狀態(tài)。比如，它們都在等mailbox變量的值不為0的時(shí)候再把它的值變?yōu)?，這就相當(dāng)于有多個(gè)人在等著我向信箱里放置情報(bào)。雖然等待的 goroutine 有多個(gè)，但每次成功的 goroutine 卻只可能有一個(gè)。別忘了，條件變量的Wait方法會(huì)在當(dāng)前的 goroutine 醒來后先重新鎖定那個(gè)互斥鎖。在成功的 goroutine 最終解鎖互斥鎖之后，其他的 goroutine 會(huì)先后進(jìn)入臨界區(qū)，但它們會(huì)發(fā)現(xiàn)共享資源的狀態(tài)依然不是它們想要的。這個(gè)時(shí)候，for循環(huán)就很有必要了。
• 共享資源可能有的狀態(tài)不是兩個(gè)，而是更多。比如，mailbox變量的可能值不只有0和1，還有2、3、4。這種情況下，由于狀態(tài)在每次改變后的結(jié)果只可能有一個(gè)，所以，在設(shè)計(jì)合理的前提下，單一的結(jié)果一定不可能滿足所有 goroutine 的條件。那些未被滿足的 goroutine 顯然還需要繼續(xù)等待和檢查。
• 有一種可能，共享資源的狀態(tài)只有兩個(gè)，并且每種狀態(tài)都只有一個(gè) goroutine 在關(guān)注，就像我們在主問題當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的那個(gè)例子那樣。不過，即使是這樣，使用for語句仍然是有必要的。原因是，在一些多 CPU 核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，即使沒有收到條件變量的通知，調(diào)用其Wait方法的 goroutine 也是有可能被喚醒的。這是由計(jì)算機(jī)硬件層面決定的，即使是操作系統(tǒng)（比如 Linux）本身提供的條件變量也會(huì)如此。

綜上所述，在包裹條件變量的Wait方法的時(shí)候，我們總是應(yīng)該使用for語句。

不要用if語句，因?yàn)樗荒苤貜?fù)地執(zhí)行“檢查狀態(tài) - 等待通知 - 被喚醒”的這個(gè)流程。

（4）條件變量的Signal方法和Broadcast方法

條件變量signal方法和Broadcast方法都是用來發(fā)送通知的，不同的是，前者的通知只會(huì)喚醒一個(gè)因此而等待的goroutine，而后者的通知卻會(huì)喚醒所有為此等待的goroutine。

條件變量的Wait方法總會(huì)把當(dāng)前的 goroutine 添加到通知隊(duì)列的隊(duì)尾，而它的Signal方法總會(huì)從通知隊(duì)列的隊(duì)首開始，查找可被喚醒的 goroutine。所以，因Signal方法的通知，而被喚醒的 goroutine 一般都是最早等待的那一個(gè)。

條件變量Signal方法和Broadcast方法放置的位置：

與Wait方法不同，條件變量的Signal方法和Broadcast方法并不需要在互斥鎖的保護(hù)下執(zhí)行。恰恰相反，我們最好在解鎖條件變量基于的那個(gè)互斥鎖之后，再去調(diào)用它的這兩個(gè)方法。這更有利于程序的運(yùn)行效率。

條件變量的通知具有即時(shí)性：

如果發(fā)送通知的時(shí)候沒有 goroutine 為此等待，那么該通知就會(huì)被直接丟棄。在這之后才開始等待的 goroutine 只可能被后面的通知喚醒。