簡(jiǎn)介

在某些場(chǎng)景下，我們需要初始化一些資源，例如單例對(duì)象、配置等。實(shí)現(xiàn)資源的初始化有多種方法，如定義 package 級(jí)別的變量、在 init 函數(shù)中進(jìn)行初始化，或者在 main 函數(shù)中進(jìn)行初始化。這三種方式都能確保并發(fā)安全，并在程序啟動(dòng)時(shí)完成資源的初始化。

然而，有時(shí)我們希望采用延遲初始化的方式，在我們真正需要資源的時(shí)候才進(jìn)行初始化，這種需要確保并發(fā)安全，在這種情況下，Go 語(yǔ)言中的 sync.Once 提供一個(gè)優(yōu)雅且并發(fā)安全的解決方案，本文將對(duì)其進(jìn)行介紹。

sync.Once 基本概念

什么是 sync.Once

sync.Once 是 Go 語(yǔ)言中的一種同步原語(yǔ)，用于確保某個(gè)操作或函數(shù)在并發(fā)環(huán)境下只被執(zhí)行一次。它只有一個(gè)導(dǎo)出的方法，即 Do，該方法接收一個(gè)函數(shù)參數(shù)。在 Do 方法被調(diào)用后，該函數(shù)將被執(zhí)行，而且只會(huì)執(zhí)行一次，即使在多個(gè)協(xié)程同時(shí)調(diào)用的情況下也是如此。

sync.Once 的應(yīng)用場(chǎng)景

sync.Once 主要用于以下場(chǎng)景：

• 單例模式：確保全局只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象，避免重復(fù)創(chuàng)建資源。
• 延遲初始化：在程序運(yùn)行過(guò)程中需要用到某個(gè)資源時(shí)，通過(guò) sync.Once 動(dòng)態(tài)地初始化該資源。
• 只執(zhí)行一次的操作：例如只需要執(zhí)行一次的配置加載、數(shù)據(jù)清理等操作。

sync.Once 應(yīng)用實(shí)例

單例模式

在單例模式中，我們需要確保一個(gè)結(jié)構(gòu)體只被初始化一次。使用 sync.Once 可以輕松實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

type Singleton struct{}

var (
   instance *Singleton
   once     sync.Once
)

func GetInstance() *Singleton {
   once.Do(func() {
      instance = &Singleton{}
   })
   return instance
}

func main() {
   var wg sync.WaitGroup

   for i := 0; i < 5; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         s := GetInstance()
         fmt.Printf("Singleton instance address: %p\n", s)
      }()
   }

   wg.Wait()
}

上述代碼中，GetInstance 函數(shù)通過(guò) once.Do() 確保 instance 只會(huì)被初始化一次。在并發(fā)環(huán)境下，多個(gè)協(xié)程同時(shí)調(diào)用 GetInstance 時(shí)，只有一個(gè)協(xié)程會(huì)執(zhí)行 instance = &Singleton{}，所有協(xié)程得到的實(shí)例 s 都是同一個(gè)。

延遲初始化

有時(shí)候希望在需要時(shí)才初始化某些資源。使用 sync.Once 可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

type Config struct {
   config map[string]string
}

var (
   config *Config
   once   sync.Once
)

func GetConfig() *Config {
   once.Do(func() {
      fmt.Println("init config...")
      config = &Config{
         config: map[string]string{
            "c1": "v1",
            "c2": "v2",
         },
      }
   })
   return config
}

func main() {
   // 第一次需要獲取配置信息，初始化 config
   cfg := GetConfig()
   fmt.Println("c1: ", cfg.config["c1"])

   // 第二次需要，此時(shí) config 已經(jīng)被初始化過(guò)，無(wú)需再次初始化
   cfg2 := GetConfig()
   fmt.Println("c2: ", cfg2.config["c2"])
}

在這個(gè)示例中，定義了一個(gè) Config 結(jié)構(gòu)體，它包含一些設(shè)置信息。使用 sync.Once 來(lái)實(shí)現(xiàn) GetConfig 函數(shù)，該函數(shù)在第一次調(diào)用時(shí)初始化 Config。這樣，我們可以在真正需要時(shí)才初始化 Config，從而避免不必要的開(kāi)銷。

sync.Once 實(shí)現(xiàn)原理

type Once struct {
   // 表示是否執(zhí)行了操作
   done uint32
   // 互斥鎖，確保多個(gè)協(xié)程訪問(wèn)時(shí)，只能一個(gè)協(xié)程執(zhí)行操作
   m    Mutex
}

func (o *Once) Do(f func()) {
   // 判斷 done 的值，如果是 0，說(shuō)明 f 還沒(méi)有被執(zhí)行過(guò)
   if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
      // 構(gòu)建慢路徑(slow-path)，以允許對(duì) Do 方法的快路徑(fast-path)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)
      o.doSlow(f)
   }
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
   // 加鎖
   o.m.Lock()
   defer o.m.Unlock()
   // 雙重檢查，避免 f 已被執(zhí)行過(guò)
   if o.done == 0 {
      // 修改 done 的值
      defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
      // 執(zhí)行函數(shù)
      f()
   }
}

sync.Once 結(jié)構(gòu)體包含兩個(gè)字段：done 和 mu。done 是一個(gè) uint32 類型的變量，用于表示操作是否已經(jīng)執(zhí)行過(guò)；m 是一個(gè)互斥鎖，用于確保在多個(gè)協(xié)程訪問(wèn)時(shí)，只有一個(gè)協(xié)程能執(zhí)行操作。

sync.Once 結(jié)構(gòu)體包含兩個(gè)方法：Do 和 doSlow。Do 方法是其核心方法，它接收一個(gè)函數(shù)參數(shù) f。首先它會(huì)通過(guò)原子操作atomic.LoadUint32（保證并發(fā)安全） 檢查 done 的值，如果為 0，表示 f 函數(shù)沒(méi)有被執(zhí)行過(guò)，然后執(zhí)行 doSlow 方法。

在 doSlow 方法里，首先對(duì)互斥鎖 m 進(jìn)行加鎖，確保在多個(gè)協(xié)程訪問(wèn)時(shí)，只有一個(gè)協(xié)程能執(zhí)行 f 函數(shù)。接著再次檢查 done 變量的值，如果 done 的值仍為 0，說(shuō)明 f 函數(shù)沒(méi)有被執(zhí)行過(guò)，此時(shí)執(zhí)行 f 函數(shù)，最后通過(guò)原子操作 atomic.StoreUint32 將 done 變量的值設(shè)置為 1。

為什么會(huì)封裝一個(gè) doSlow 方法

doSlow 方法的存在主要是為了性能優(yōu)化。將慢路徑（slow-path）代碼從 Do 方法中分離出來(lái)，使得 Do 方法的快路徑（fast-path）能夠被內(nèi)聯(lián)（inlined），從而提高性能。

為什么會(huì)有雙重檢查（double check）的寫法

從源碼可知，存在兩次對(duì) done 的值的判斷。

• 第一次檢查：在獲取鎖之前，先使用原子加載操作 atomic.LoadUint32 檢查 done 變量的值，如果 done 的值為 1，表示操作已執(zhí)行，此時(shí)直接返回，不再執(zhí)行 doSlow 方法。這一檢查可以避免不必要的鎖競(jìng)爭(zhēng)。
• 第二次檢查：獲取鎖之后，再次檢查 done 變量的值，這一檢查是為了確保在當(dāng)前協(xié)程獲取鎖期間，其他協(xié)程沒(méi)有執(zhí)行過(guò) f 函數(shù)。如果 done 的值仍為 0，表示 f 函數(shù)沒(méi)有被執(zhí)行過(guò)。

通過(guò)雙重檢查，可以在大多數(shù)情況下避免鎖競(jìng)爭(zhēng)，提高性能。

加強(qiáng)的 sync.Once

sync.Once 提供的 Do 方法并沒(méi)有返回值，意味著如果我們傳入的函數(shù)如果發(fā)生 error 導(dǎo)致初始化失敗，后續(xù)調(diào)用 Do 方法也不會(huì)再初始化。為了避免這個(gè)問(wèn)題，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè) 類似 sync.Once 的并發(fā)原語(yǔ)。

package main

import (
   "sync"
   "sync/atomic"
)


type Once struct {
   done uint32
   m    sync.Mutex
}

func (o *Once) Do(f func() error) error {
   if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
      return o.doSlow(f)
   }
   return nil
}

func (o *Once) doSlow(f func() error) error {
   o.m.Lock()
   defer o.m.Unlock()
   var err error
   if o.done == 0 {
      err = f()
      // 只有沒(méi)有 error 的時(shí)候，才修改 done 的值
      if err == nil {
         atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
      }
   }
   return err
}

上述代碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)加強(qiáng)的 Once 結(jié)構(gòu)體。與標(biāo)準(zhǔn)的 sync.Once 不同，這個(gè)實(shí)現(xiàn)允許 Do 方法的函數(shù)參數(shù)返回一個(gè) error。如果執(zhí)行函數(shù)沒(méi)有返回 error，則修改 done 的值以表示函數(shù)已執(zhí)行。這樣，在后續(xù)的調(diào)用中，只有在沒(méi)有發(fā)生 error 的情況下，才會(huì)跳過(guò)函數(shù)執(zhí)行，避免初始化失敗。

sync.Once 的注意事項(xiàng)

死鎖

通過(guò)分析 sync.Once 的源碼，可以看到它包含一個(gè)名為 m 的互斥鎖字段。當(dāng)我們?cè)?Do 方法內(nèi)部重復(fù)調(diào)用 Do 方法時(shí)，將會(huì)多次嘗試獲取相同的鎖。但是 mutex 互斥鎖并不支持可重入操作，因此這將導(dǎo)致死鎖現(xiàn)象。

func main() {
   once := sync.Once{}
   once.Do(func() {
      once.Do(func() {
         fmt.Println("init...")
      })
   })
}

初始化失敗

這里的初始化失敗指的是在調(diào)用 Do 方法之后，執(zhí)行 f 函數(shù)的過(guò)程中發(fā)生 error，導(dǎo)致執(zhí)行失敗，現(xiàn)有的 sync.Once 設(shè)計(jì)我們是無(wú)法感知到初始化的失敗的，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似 sync.Once 的加強(qiáng) once，前面的內(nèi)容已經(jīng)提供了具體實(shí)現(xiàn)。

小結(jié)

本文詳細(xì)介紹了 Go 語(yǔ)言中的 sync.Once，包括它的基本定義、使用場(chǎng)景和應(yīng)用實(shí)例以及源碼分析等。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，sync.Once 經(jīng)常被用于實(shí)現(xiàn)單例模式和延遲初始化操作。

雖然 sync.Once 簡(jiǎn)單而又高效，但是錯(cuò)誤的使用可能會(huì)造成一些意外情況，需要格外小心。

總之，sync.Once 是 Go 中非常實(shí)用的一個(gè)并發(fā)原語(yǔ)，可以幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)各種并發(fā)場(chǎng)景下的安全操作。如果遇到只需要初始化一次的場(chǎng)景，sync.Once 是一個(gè)非常好的選擇。

以上就是Golang并發(fā)利器sync.Once的用法詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Golang sync.Once的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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