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深入理解go sync.Once的具體使用

更新時(shí)間：2024年01月09日 15:06:20 作者：rubys007

在很多情況下,我們可能需要控制某一段代碼只執(zhí)行一次,go 為我們提供了?sync.Once?對(duì)象,它保證了某個(gè)動(dòng)作只被執(zhí)行一次,本文主要介紹了深入理解go sync.Once的具體使用,感興趣的可以了解一下

Once 的實(shí)現(xiàn)

Once 的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，如下，就只有 20 來行代碼，但里面包含了 go 并發(fā)、同步的一些常見處理方法。

package sync

import (
	"sync/atomic"
)

type Once struct {
	done uint32
	m    Mutex
}

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

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done == 0 {
		defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
		f()
	}
}

簡(jiǎn)要說明：

done 字段指示了操作是否已執(zhí)行，也就是我們傳遞給 Do 的函數(shù)是否已經(jīng)被執(zhí)行。
Do 方法接收一個(gè)函數(shù)參數(shù)，這個(gè)函數(shù)參數(shù)只會(huì)被執(zhí)行一次。
Once 內(nèi)部是通過 Mutex 來實(shí)現(xiàn)不同協(xié)程之間的同步的。

使用示例

在下面的例子中，once.Do(test) 被執(zhí)行了 3 次，但是最終 test 只被執(zhí)行了一次。

package sync

import (
	"fmt"
	"sync"
	"testing"
)

var once sync.Once
var a = 0

func test() {
	a++
}

func TestOnce(t *testing.T) {
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(3)

	for i := 0; i < 3; i++ {
		go func() {
			// once.Do 會(huì)調(diào)用 3 次，但最終只會(huì)執(zhí)行一次
			once.Do(test)

			wg.Done()
		}()
	}

	wg.Wait()

	fmt.Println(a) // 1
}

Once 的一些工作機(jī)制

Once 的 Do 方法可以保證，在多個(gè) goroutine 同時(shí)執(zhí)行 Do 方法的時(shí)候，
在第一個(gè)搶占到 Do 執(zhí)行權(quán)的 goroutine 執(zhí)行返回之前，其他 goroutine 都會(huì)阻塞在 Once.Do 的調(diào)用上，
只有第一個(gè) Do 調(diào)用返回的時(shí)候，其他 goroutine 才可以繼續(xù)執(zhí)行下去，并且其他所有的 goroutine
不會(huì)再執(zhí)行傳遞給 Do 的函數(shù)。（如果是初始化的場(chǎng)景，這可以避免尚未初始化完成就執(zhí)行其他的操作）
如果 Once.Do 發(fā)生 panic 的時(shí)候，傳遞給 Do 的函數(shù)依然被標(biāo)記為已完成。后續(xù)對(duì) Do 的調(diào)用也不會(huì)再執(zhí)行傳給 Do 的函數(shù)參數(shù)。
我們不能簡(jiǎn)單地通過 atomic.CompareAndSwapUint32 來決定是否執(zhí)行 f()，因?yàn)樵诙鄠€(gè) goroutine 同時(shí)執(zhí)行的時(shí)候，它無法保證 f() 只被執(zhí)行一次。所以 Once 里面用了 Mutex，這樣就可以有效地保護(hù)臨界區(qū)。

// 錯(cuò)誤實(shí)現(xiàn)，這不能保證 f 只被執(zhí)行一次
if atomic.CompareAndSwapUint32(&o.done, 0, 1) {
    f()
}

Once.Do 的函數(shù)參數(shù)是沒有參數(shù)的，如果我們需要傳遞一些參數(shù)，可以再對(duì) f 做一層包裹。

config.once.Do(func() { config.init(filename) })

Once 詳解

hotpath

這里說的 hotpath 指的是 Once 里的第一個(gè)字段 done：

type Once struct {
	// hotpath
	done uint32
	m    Mutex
}

Once 結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)字段是 done，這是因?yàn)?nbsp;done 的訪問是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Once 中另外一個(gè)字段 m 的，
放在第一個(gè)字段中，編譯器就可以做一些優(yōu)化，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體的地址其實(shí)就是結(jié)構(gòu)體第一個(gè)字段的地址，
這樣一來，在訪問 done 字段的時(shí)候，就不需要通過結(jié)構(gòu)體地址 + 偏移量的方式來訪問，
這在一定程度上提高了性能。

結(jié)構(gòu)體地址計(jì)算示例：

type person struct {
	name string
	age  int
}

func TestStruct(t *testing.T) {
	var p = person{
		name: "foo",
		age:  10,
	}
	// p 和 p.name 的地址相同
	// 0xc0000100a8, 0xc0000100a8
	fmt.Printf("%p, %p\n", &p, &p.name)

	// p.age 的地址
	// 0xc0000100b8
	fmt.Printf("%p\n", &p.age)
	// p.age 的地址也可以通過：結(jié)構(gòu)體地址 + age 字段偏移量 計(jì)算得出。
	// 0xc0000100b8
	fmt.Println(unsafe.Add(unsafe.Pointer(&p), unsafe.Offsetof(p.age)))
}

atomic.LoadUint32

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

在 Do 方法中，是通過 atomic.LoadUint32 的方式來判斷 done 是否等于 0 的，
這是因?yàn)?，如果直接使?nbsp;done == 0 的方式的話，就有可能導(dǎo)致在 doSlow 里面對(duì) done 設(shè)置為 1 之后，
在 Do 方法里面無法正常觀測(cè)到。因此用了 atomic.LoadUint32。

而在 doSlow 里面是可以通過 done == 0 來判斷的，這是因?yàn)?nbsp;doSlow 里面已經(jīng)通過 Mutex 保護(hù)起來了。
唯一設(shè)置 done = 1 的地方就在臨界區(qū)里面，所以 doSlow 里面通過 done == 0 來判斷是完全沒有問題的。

atomic.StoreUint32

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done == 0 {
		defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
		f()
	}
}

在 doSlow 方法中，設(shè)置 done 為 1 也是通過 atomic.StoreUint32 來設(shè)置的。
這樣就可以保證在設(shè)置了 done 為 1 之后，可以及時(shí)被其他 goroutine 看到。

Mutex

doSlow 的實(shí)現(xiàn)里面，最終還是要通過 Mutex 來保護(hù)臨界區(qū)，
通過 Mutex 可以實(shí)現(xiàn) f 只被執(zhí)行一次，并且其他的 goroutine 都可以使用這一次 f 的執(zhí)行結(jié)果。
因?yàn)槠渌?goroutine 在第一次 f 調(diào)用未返回之前，都阻塞在獲取 Mutex 鎖的地方，
當(dāng)它們獲取到 Mutex 鎖的時(shí)候，得以繼續(xù)往下執(zhí)行，但這個(gè)時(shí)候 f 已經(jīng)執(zhí)行完畢了，
所以當(dāng)它們獲取到 Mutex 鎖之后其實(shí)什么也沒有干。

但是它們的阻塞狀態(tài)被解除了，可以繼續(xù)往下執(zhí)行。

總結(jié)

Once 保證了傳入的函數(shù)只會(huì)執(zhí)行一次，這常常用在一些初始化的場(chǎng)景、或者單例模式。
Once 可以保證所有對(duì) Do 的并發(fā)調(diào)用都是安全的，所有對(duì) Once.Do 調(diào)用之后的操作，一定會(huì)在第一次對(duì) f 調(diào)用之后執(zhí)行。（沒有獲取到 f 執(zhí)行權(quán)的 goroutine 會(huì)阻塞）
即使 Once.Do 里面的 f 出現(xiàn)了 panic，后續(xù)也不會(huì)再次調(diào)用 f。