Golang并发的次优选择：sync包

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我们都知道Golang并发优选channel，但channel不是万能的，Golang为我们提供了另一种选择：sync。通过这篇文章，你会了解sync包最基础、最常用的方法，至于sync和channel之争留给下一篇文章。

sync包提供了基础的异步操作方法，比如互斥锁（Mutex）、单次执行（Once）和等待组（WaitGroup），这些异步操作主要是为低级库提供，上层的异步/并发操作最好选用通道和通信。

sync包提供了：

  1. Mutex：互斥锁
  2. RWMutex：读写锁
  3. WaitGroup：等待组
  4. Once：单次执行
  5. Cond：信号量
  6. Pool：临时对象池
  7. Map：自带锁的map

这篇文章是sync包的入门文章，所以只介绍常用的结构和方法：Mutex、RWMutex、WaitGroup、Once，而Cond、Pool和Map留给大家自行探索，或有需求再介绍。

互斥锁

常做并发工作的朋友对互斥锁应该不陌生，Golang里互斥锁需要确保的是某段时间内，不能有多个协程同时访问一段代码（临界区）。

互斥锁被称为Mutex，它有2个函数，Lock()和Unlock()分别是获取锁和释放锁，如下：

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type Mutex
func (m *Mutex) Lock(){}
func (m *Mutex) Unlock(){}

Mutex的初始值为未锁的状态，并且Mutex通常作为结构体的匿名成员存在。

经过了上面这么“官方”的介绍，举个例子：你在工商银行有100元存款，这张卡绑定了支付宝和微信，在中午12点你用支付宝支付外卖30元，你在微信发红包，抢到10块。银行需要按顺序执行上面两件事，先减30再加10或者先加10再减30，结果都是80，但如果同时执行，结果可能是，只减了30或者只加了10，即你有70元或者你有110元。前一个结果是你赔了，后一个结果是银行赔了，银行可不希望把这种事算错。

看看实际使用吧：创建一个银行，银行里存每个账户的钱，存储查询都加了锁操作，这样银行就不会算错账了。
银行的定义：

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type Bank struct {
	sync.Mutex
	saving map[string]int // 每账户的存款金额
}

func NewBank() *Bank {
	b := &Bank{
		saving: make(map[string]int),
	}
	return b
}

银行的存取钱：

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// Deposit 存款
func (b *Bank) Deposit(name string, amount int) {
	b.Lock()
	defer b.Unlock()

	if _, ok := b.saving[name]; !ok {
		b.saving[name] = 0
	}
	b.saving[name] += amount
}

// Withdraw 取款，返回实际取到的金额
func (b *Bank) Withdraw(name string, amount int) int {
	b.Lock()
	defer b.Unlock()

	if _, ok := b.saving[name]; !ok {
		return 0
	}
	if b.saving[name] < amount {
		amount = b.saving[name]
	}
	b.saving[name] -= amount

	return amount
}

// Query 查询余额
func (b *Bank) Query(name string) int {
	b.Lock()
	defer b.Unlock()

	if _, ok := b.saving[name]; !ok {
		return 0
	}

	return b.saving[name]
}

模拟操作：小米支付宝存了100，并且同时花了20。

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func main() {
	b := NewBank()
	go b.Deposit("xiaoming", 100)
	go b.Withdraw("xiaoming", 20)
	go b.Deposit("xiaogang", 2000)

	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Printf("xiaoming has: %d\n", b.Query("xiaoming"))
	fmt.Printf("xiaogang has: %d\n", b.Query("xiaogang"))
}

结果：先存后花。

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➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run mutex.go
xiaoming has: 80
xiaogang has: 2000

也可能是：先花后存，因为先花20，因为小明没钱，所以没花出去。

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➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run mutex.go
xiaoming has: 100
xiaogang has: 2000

这个例子只是介绍了mutex的基本使用，如果你想多研究下mutex，那就去我的Github（阅读原文）下载下来代码，自己修改测试。Github中还提供了没有锁的例子，运行多次总能碰到错误：

fatal error: concurrent map writes
这是由于并发访问map造成的。

读写锁

读写锁是互斥锁的特殊变种，如果是计算机基本知识扎实的朋友会知道，读写锁来自于读者和写者的问题，这个问题就不介绍了，介绍下我们的重点：读写锁要达到的效果是同一时间可以允许多个协程读数据，但只能有且只有1个协程写数据。

也就是说，读和写是互斥的，写和写也是互斥的，但读和读并不互斥。具体讲，当有至少1个协程读时，如果需要进行写，就必须等待所有已经在读的协程结束读操作，写操作的协程才获得锁进行写数据。当写数据的协程已经在进行时，有其他协程需要进行读或者写，就必须等待已经在写的协程结束写操作。

读写锁是RWMutex，它有5个函数，它需要为读操作和写操作分别提供锁操作，这样就4个了：

  • Lock()和Unlock()是给写操作用的。
  • RLock()和RUnlock()是给读操作用的。

RLocker()能获取读锁，然后传递给其他协程使用。使用较少。

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type RWMutex
func (rw *RWMutex) Lock(){}
func (rw *RWMutex) RLock(){}
func (rw *RWMutex) RLocker() Locker{}
func (rw *RWMutex) RUnlock(){}
func (rw *RWMutex) Unlock(){}

上面的银行实现不合理：大家都是拿手机APP查余额，可以同时几个人一起查呀，这根本不影响，银行的锁可以换成读写锁。存、取钱是写操作，查询金额是读操作，代码修改如下，其他不变：

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type Bank struct {
	sync.RWMutex
	saving map[string]int // 每账户的存款金额
}

// Query 查询余额
func (b *Bank) Query(name string) int {
	b.RLock()
	defer b.RUnlock()

	if _, ok := b.saving[name]; !ok {
		return 0
	}

	return b.saving[name]
}

func main() {
	b := NewBank()
	go b.Deposit("xiaoming", 100)
	go b.Withdraw("xiaoming", 20)
	go b.Deposit("xiaogang", 2000)

	time.Sleep(time.Second)
	print := func(name string) {
		fmt.Printf("%s has: %d\n", name, b.Query(name))
	}

	nameList := []string{"xiaoming", "xiaogang", "xiaohong", "xiaozhang"}
	for _, name := range nameList {
		go print(name)
	}

	time.Sleep(time.Second)
}

结果，可能不一样，因为协程都是并发执行的，执行顺序不固定：

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➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run rwmutex.go
xiaohong has: 0
xiaozhang has: 0
xiaogang has: 2000
xiaoming has: 100

等待组

互斥锁和读写锁大多数人可能比较熟悉，而对等待组（WaitGroup）可能就不那么熟悉，甚至有点陌生，所以先来介绍下等待组在现实中的例子。

你们团队有5个人，你作为队长要带领大家打开藏有宝藏的箱子，但这个箱子需要4把钥匙才能同时打开，你把寻找4把钥匙的任务，分配给4个队员，让他们分别去寻找，而你则守着宝箱，在这等待，等他们都找到回来后，一起插进钥匙打开宝箱。

这其中有个很重要的过程叫等待：等待一些工作完成后，再进行下一步的工作。如果使用Golang实现，就得使用等待组。

等待组是WaitGroup，它有3个函数:

  • Add()：在被等待的协程启动前加1，代表要等待1个协程。
  • Done()：被等待的协程执行Done，代表该协程已经完成任务，通知等待协程。
  • Wait(): 等待其他协程的协程，使用Wait进行等待。
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    type WaitGroup
    func (wg *WaitGroup) Add(delta int){}
    func (wg *WaitGroup) Done(){}
    func (wg *WaitGroup) Wait(){}

来，一起看下怎么用WaitGroup实现上面的问题。

队长先创建一个WaitGroup对象wg，每个队员都是1个协程， 队长让队员出发前，使用wg.Add()，队员出发寻找钥匙，队长使用wg.Wait()等待（阻塞）所有队员完成，某个队员完成时执行wg.Done()，等所有队员找到钥匙，wg.Wait()则返回，完成了等待的过程，接下来就是开箱。

结合之前的协程池的例子，修改成WG等待协程池协程退出，实例代码：

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func leader() {
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(4)
	for i := 0; i < 4; i++ {
		go follower(&wg, i)
	}
	wg.Wait()
	
	fmt.Println("open the box together")
}

func follower(wg *sync.WaitGroup, id int) {
	fmt.Printf("follwer %d find key\n", id)
	wg.Done()
}

结果:

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➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run waitgroup.go
follwer 3 find key
follwer 1 find key
follwer 0 find key
follwer 2 find key
open the box together

WaitGroup也常用在协程池的处理上，协程池等待所有协程退出，把上篇文章《Golang并发模型：轻松入门协程池》的例子改下：

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func workerPool(n int, jobCh <-chan int, retCh chan<- string) {
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(n)
	for i := 0; i < n; i++ {
		go worker(&wg, i, jobCh, retCh)
	}

	wg.Wait()
	close(retCh)
}

func worker(wg *sync.WaitGroup, id int, jobCh <-chan int, retCh chan<- string) {
	cnt := 0
	for job := range jobCh {
		cnt++
		ret := fmt.Sprintf("worker %d processed job: %d, it's the %dth processed by me.", id, job, cnt)
		retCh <- ret
	}

	wg.Done()
}

单次执行

在程序执行前，通常需要做一些初始化操作，但触发初始化操作的地方是有多处的，但是这个初始化又只能执行1次，怎么办呢？

使用Once就能轻松解决，once对象是用来存放1个无入参无返回值的函数，once可以确保这个函数只被执行1次。

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type Once
func (o *Once) Do(f func()){}

直接把官方代码给大家搬过来看下，once在10个协程中调用，但once中的函数onceBody()只执行了1次：

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package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var once sync.Once
	onceBody := func() {
		fmt.Println("Only once")
	}
	done := make(chan bool)
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			once.Do(onceBody)
			done <- true
		}()
	}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		<-done
	}
}

结果：

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➜  sync_pkg git:(master) ✗ go run once.go
Only once

下期预告

这次先介绍入门的知识，下次再介绍一些深入思考、最佳实践，不能一口吃个胖子，咱们慢慢来，顺序渐进。

下一篇我以这些主题进行介绍，欢迎关注：

  1. 哪个协程先获取锁
  2. 一定要用锁吗
  3. 锁与通道的选择

示例源码

本文所有示例源码，及历史文章、代码都存储在Github：https://github.com/Shitaibin/golang_step_by_step/tree/master/sync_pkg

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  2. 本文作者：大彬
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