Go語言中sync包使用方法教程

更新時間：2025年03月29日 09:26:24 作者：Clown95

在Go語言的并發(fā)編程實踐中,性能優(yōu)化總是繞不開的話題,下面這篇文章主要介紹了Go語言中sync包使用方法的相關(guān)資料,文中通過代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

1. 互斥鎖 (Mutex)

互斥鎖用于保護(hù)共享資源，確保同一時間只有一個 goroutine 可以訪問。

特點(diǎn)：

最基本的同步原語，實現(xiàn)互斥訪問共享資源
有兩個方法：Lock() 和 Unlock()
不可重入，同一個 goroutine 重復(fù)獲取會導(dǎo)致死鎖
沒有超時機(jī)制，鎖定后必須等待解鎖
不區(qū)分讀寫操作，所有操作都是互斥的
適用于共享資源競爭不激烈的場景
性能高于 channel 實現(xiàn)的互斥機(jī)制
不保證公平性，可能導(dǎo)致饑餓問題

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var mutex sync.Mutex
    counter := 0
    
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() {
            mutex.Lock()
            defer mutex.Unlock()
            counter++
        }()
    }
    
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("計數(shù)器:", counter)
}

2. 讀寫鎖 (RWMutex)

當(dāng)多個 goroutine 需要讀取而很少寫入時，讀寫鎖比互斥鎖更高效。

特點(diǎn)：

針對讀多寫少場景優(yōu)化的鎖
提供四個方法：RLock()、RUnlock()、Lock()、Unlock()
允許多個讀操作并發(fā)進(jìn)行，但寫操作是互斥的
寫鎖定時，所有讀操作都會被阻塞
有讀鎖定時，寫操作會等待所有讀操作完成
寫操作優(yōu)先級較高，防止寫?zhàn)囸I
內(nèi)部使用 Mutex 實現(xiàn)
比 Mutex 有更多開銷，但在讀多寫少場景下性能更高

var rwMutex sync.RWMutex
var data map[string]string = make(map[string]string)

// 讀取操作
func read(key string) string {
    rwMutex.RLock()
    defer rwMutex.RUnlock()
    return data[key]
}

// 寫入操作
func write(key, value string) {
    rwMutex.Lock()
    defer rwMutex.Unlock()
    data[key] = value
}

3. 等待組 (WaitGroup)

等待組用于等待一組 goroutine 完成執(zhí)行。

特點(diǎn)：

用于協(xié)調(diào)多個 goroutine 的完成
提供三個方法：Add()、Done()、Wait()
Add() 增加計數(shù)器，參數(shù)可為負(fù)數(shù)
Done() 等同于 Add(-1)，減少計數(shù)器
Wait() 阻塞直到計數(shù)器歸零
計數(shù)器不能變?yōu)樨?fù)數(shù)，會導(dǎo)致 panic
可以重用，計數(shù)器歸零后可以再次增加
非常適合"扇出"模式（啟動多個工作 goroutine 并等待全部完成）
不包含工作內(nèi)容信息，僅表示完成狀態(tài)
輕量級，開銷很小

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1) // 增加計數(shù)器
        go func(id int) {
            defer wg.Done() // 完成時減少計數(shù)器
            fmt.Printf("工作 %d 完成\n", id)
        }(i)
    }
    
    wg.Wait() // 等待所有 goroutine 完成
    fmt.Println("所有工作已完成")
}

4. 一次性執(zhí)行 (Once)

Once 確保一個函數(shù)只執(zhí)行一次，無論有多少 goroutine 嘗試執(zhí)行它。

特點(diǎn)：

確保某個函數(shù)只執(zhí)行一次
只有一個方法：Do(func())
即使在多個 goroutine 中調(diào)用也只執(zhí)行一次
常用于單例模式或一次性初始化
內(nèi)部使用互斥鎖和一個標(biāo)志位實現(xiàn)
非常輕量級，幾乎沒有性能開銷
如果傳入的函數(shù) panic，視為已執(zhí)行
不能重置，一旦執(zhí)行就不能再次執(zhí)行
傳入不同的函數(shù)也不會再次執(zhí)行

var once sync.Once
var instance *singleton

func getInstance() *singleton {
    once.Do(func() {
        instance = &singleton{}
    })
    return instance
}

5. 條件變量 (Cond)

條件變量用于等待或宣布事件的發(fā)生。

特點(diǎn)：

用于等待或通知事件發(fā)生
需要與互斥鎖結(jié)合使用：sync.NewCond(&mutex)
提供三個方法：Wait()、Signal()、Broadcast()
Wait() 自動解鎖并阻塞，被喚醒后自動重新獲取鎖
Signal() 喚醒一個等待的 goroutine
Broadcast() 喚醒所有等待的 goroutine
適合生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式
可以避免輪詢，提高性能
使用相對復(fù)雜，容易出錯
等待必須在獲取鎖后調(diào)用

var mutex sync.Mutex
var cond = sync.NewCond(&mutex)
var ready bool

func main() {
    go producer()
    
    // 消費(fèi)者
    mutex.Lock()
    for !ready {
        cond.Wait() // 等待條件變?yōu)檎?
    }
    fmt.Println("數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好")
    mutex.Unlock()
}

func producer() {
    time.Sleep(time.Second) // 模擬工作
    
    mutex.Lock()
    ready = true
    cond.Signal() // 通知一個等待的 goroutine
    // 或使用 cond.Broadcast() 通知所有等待的 goroutine
    mutex.Unlock()
}

6. 原子操作 (atomic)

對于簡單的計數(shù)器或標(biāo)志，可以使用原子操作包而不是互斥鎖。

特點(diǎn)：

底層的原子操作，無鎖實現(xiàn)
適用于簡單的計數(shù)器或標(biāo)志位
比互斥鎖性能更高，開銷更小
提供多種原子操作：Add、Load、Store、Swap、CompareAndSwap
支持多種數(shù)據(jù)類型：int32、int64、uint32、uint64、uintptr 和指針
可用于實現(xiàn)自己的同步原語
不適合復(fù)雜的共享狀態(tài)
在多 CPU 系統(tǒng)上可能導(dǎo)致緩存一致性開銷
Go 1.19 引入了新的原子類型

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
    "time"
)

func main() {
    var counter int64 = 0
    
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func() {
            atomic.AddInt64(&counter, 1)
        }()
    }
    
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("計數(shù)器:", atomic.LoadInt64(&counter))
}

7. Map (sync.Map)

Go 1.9 引入的線程安全的 map。

特點(diǎn)：

Go 1.9 引入的線程安全的哈希表
無需額外加鎖即可安全地并發(fā)讀寫
提供五個方法：Store、Load、LoadOrStore、Delete、Range
內(nèi)部使用分段鎖和原子操作優(yōu)化性能
適用于讀多寫少的場景
不保證遍歷的順序
不支持獲取元素數(shù)量或判斷是否為空
不能像普通 map 那樣直接使用下標(biāo)語法
性能比加鎖的普通 map 更好，但單線程下比普通 map 慢
內(nèi)存開銷較大

var m sync.Map

func main() {
    // 存儲鍵值對
    m.Store("key1", "value1")
    m.Store("key2", "value2")
    
    // 獲取值
    value, ok := m.Load("key1")
    if ok {
        fmt.Println("找到鍵:", value)
    }
    
    // 如果鍵不存在則存儲
    m.LoadOrStore("key3", "value3")
    
    // 刪除鍵
    m.Delete("key2")
    
    // 遍歷所有鍵值對
    m.Range(func(key, value interface{}) bool {
        fmt.Println(key, ":", value)
        return true // 返回 false 停止遍歷
    })
}

8. Pool (sync.Pool)

對象池用于重用臨時對象，減少垃圾回收壓力。

特點(diǎn)：

用于緩存臨時對象，減少垃圾回收壓力
提供兩個方法：Get() 和 Put()
需要提供 New 函數(shù)來創(chuàng)建新對象
對象可能在任何時候被垃圾回收，不保證存活
在 GC 發(fā)生時會清空池中的所有對象
不適合管理需要顯式關(guān)閉的資源（如文件句柄）
適合于頻繁創(chuàng)建和銷毀的對象
沒有大小限制，Put 總是成功的
每個 P（處理器）有自己的本地池，減少競爭
Go 1.13 后大幅提升了性能

var bufferPool = sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        return new(bytes.Buffer)
    },
}

func process() {
    // 獲取緩沖區(qū)
    buffer := bufferPool.Get().(*bytes.Buffer)
    buffer.Reset() // 清空以便重用
    
    // 使用緩沖區(qū)
    buffer.WriteString("hello")
    
    // 操作完成后放回池中
    bufferPool.Put(buffer)
}

9. 綜合示例

下面是一個綜合示例，展示了多個同步原語的使用：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

type SafeCounter struct {
    mu sync.Mutex
    wg sync.WaitGroup
    count int
}

func main() {
    counter := SafeCounter{}
    
    // 啟動 5 個 goroutine 增加計數(shù)器
    for i := 0; i < 5; i++ {
        counter.wg.Add(1)
        go func(id int) {
            defer counter.wg.Done()
            
            for j := 0; j < 10; j++ {
                counter.mu.Lock()
                counter.count++
                fmt.Printf("Goroutine %d: 計數(shù)器 = %d\n", id, counter.count)
                counter.mu.Unlock()
                
                // 模擬工作
                time.Sleep(100 * time.Millisecond)
            }
        }(i)
    }
    
    // 等待所有 goroutine 完成
    counter.wg.Wait()
    fmt.Println("最終計數(shù):", counter.count)
}

最佳實踐

使用 defer 解鎖：確保即使發(fā)生錯誤也能解鎖
```
mu.Lock()
defer mu.Unlock()
```
避免鎖的嵌套：容易導(dǎo)致死鎖
保持臨界區(qū)簡短：鎖定時間越短越好
基準(zhǔn)測試比較：
- 對于大多數(shù)簡單操作，atomic 比 Mutex 快
- RWMutex 在讀操作遠(yuǎn)多于寫操作時優(yōu)于 Mutex
- sync.Map 在高并發(fā)下比加鎖的 map 性能更好
內(nèi)存對齊：
- 原子操作需要內(nèi)存對齊
- 不正確的內(nèi)存對齊會嚴(yán)重影響性能
- 特別是在 32 位系統(tǒng)上使用 64 位原子操作

超時控制：

ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 5*time.Second)
defer cancel()

done := make(chan struct{})
go func() {
    // 執(zhí)行可能耗時的操作
    mu.Lock()
    // ...
    mu.Unlock()
    
    done <- struct{}{}
}()

select {
case <-done:
    // 操作成功完成
case <-ctx.Done():
    // 操作超時
}