gitbook/Go 并发编程实战课/docs/298516.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 06 | WaitGroup协同等待任务编排利器
你好,我是鸟窝。
WaitGroup我们以前都多多少少学习过或者是使用过。其实WaitGroup很简单就是package sync用来做任务编排的一个并发原语。它要解决的就是并发-等待的问题现在有一个goroutine A 在检查点checkpoint等待一组goroutine全部完成如果在执行任务的这些goroutine还没全部完成那么goroutine A就会阻塞在检查点直到所有goroutine都完成后才能继续执行。
我们来看一个使用WaitGroup的场景。
比如我们要完成一个大的任务需要使用并行的goroutine执行三个小任务只有这三个小任务都完成我们才能去执行后面的任务。如果通过轮询的方式定时询问三个小任务是否完成会存在两个问题一是性能比较低因为三个小任务可能早就完成了却要等很长时间才被轮询到二是会有很多无谓的轮询空耗CPU资源。
那么这个时候使用WaitGroup并发原语就比较有效了它可以阻塞等待的goroutine。等到三个小任务都完成了再即时唤醒它们。
其实很多操作系统和编程语言都提供了类似的并发原语。比如Linux中的barrier、PthreadPOSIX线程中的barrier、C++中的std::barrier、Java中的CyclicBarrier和CountDownLatch等。由此可见这个并发原语还是一个非常基础的并发类型。所以我们要认真掌握今天的内容这样就可以举一反三轻松应对其他场景下的需求了。
我们还是从WaitGroup的基本用法学起吧。
## WaitGroup的基本用法
Go标准库中的WaitGroup提供了三个方法保持了Go简洁的风格。
```
func (wg *WaitGroup) Add(delta int)
func (wg *WaitGroup) Done()
func (wg *WaitGroup) Wait()
```
我们分别看下这三个方法:
* Add用来设置WaitGroup的计数值
* Done用来将WaitGroup的计数值减1其实就是调用了Add(-1)
* Wait调用这个方法的goroutine会一直阻塞直到WaitGroup的计数值变为0。
接下来我们通过一个使用WaitGroup的例子来看下Add、Done、Wait方法的基本用法。
在这个例子中我们使用了以前实现的计数器struct。我们启动了10个worker分别对计数值加一10个worker都完成后我们期望输出计数器的值。
```
// 线程安全的计数器
type Counter struct {
mu sync.Mutex
count uint64
}
// 对计数值加一
func (c *Counter) Incr() {
c.mu.Lock()
c.count++
c.mu.Unlock()
}
// 获取当前的计数值
func (c *Counter) Count() uint64 {
c.mu.Lock()
defer c.mu.Unlock()
return c.count
}
// sleep 1秒然后计数值加1
func worker(c *Counter, wg *sync.WaitGroup) {
defer wg.Done()
time.Sleep(time.Second)
c.Incr()
}
func main() {
var counter Counter
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10) // WaitGroup的值设置为10
for i := 0; i < 10; i++ { // 启动10个goroutine执行加1任务
go worker(&counter, &wg)
}
// 检查点等待goroutine都完成任务
wg.Wait()
// 输出当前计数器的值
fmt.Println(counter.Count())
}
```
我们一起来分析下这段代码。
* 第28行声明了一个WaitGroup变量初始值为零。
* 第29行把WaitGroup变量的计数值设置为10。因为我们需要编排10个goroutine(worker)去执行任务并且等待goroutine完成。
* 第35行调用Wait方法阻塞等待。
* 第32行启动了goroutine并把我们定义的WaitGroup指针当作参数传递进去。goroutine完成后需要调用Done方法把WaitGroup的计数值减1。等10个goroutine都调用了Done方法后WaitGroup的计数值降为0这时第35行的主goroutine就不再阻塞会继续执行在第37行输出计数值。
这就是我们使用WaitGroup编排这类任务的常用方式。而“这类任务”指的就是需要启动多个goroutine执行任务主goroutine需要等待子goroutine都完成后才继续执行。
熟悉了WaitGroup的基本用法后我们再看看它具体是如何实现的吧。
## WaitGroup的实现
首先我们看看WaitGroup的数据结构。它包括了一个noCopy的辅助字段一个state1记录WaitGroup状态的数组。
* noCopy的辅助字段主要就是辅助vet工具检查是否通过copy赋值这个WaitGroup实例。我会在后面和你详细分析这个字段
* state1一个具有复合意义的字段包含WaitGroup的计数、阻塞在检查点的waiter数和信号量。
WaitGroup的数据结构定义以及state信息的获取方法如下
```
type WaitGroup struct {
// 避免复制使用的一个技巧可以告诉vet工具违反了复制使用的规则
noCopy noCopy
// 64bit(8bytes)的值分成两段高32bit是计数值低32bit是waiter的计数
// 另外32bit是用作信号量的
// 因为64bit值的原子操作需要64bit对齐但是32bit编译器不支持所以数组中的元素在不同的架构中不一样具体处理看下面的方法
// 总之会找到对齐的那64bit作为state其余的32bit做信号量
state1 [3]uint32
}
// 得到state的地址和信号量的地址
func (wg *WaitGroup) state() (statep *uint64, semap *uint32) {
if uintptr(unsafe.Pointer(&wg.state1))%8 == 0 {
// 如果地址是64bit对齐的数组前两个元素做state后一个元素做信号量
return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1)), &wg.state1[2]
} else {
// 如果地址是32bit对齐的数组后两个元素用来做state它可以用来做64bit的原子操作第一个元素32bit用来做信号量
return (*uint64)(unsafe.Pointer(&wg.state1[1])), &wg.state1[0]
}
}
```
因为对64位整数的原子操作要求整数的地址是64位对齐的所以针对64位和32位环境的state字段的组成是不一样的。
在64位环境下state1的第一个元素是waiter数第二个元素是WaitGroup的计数值第三个元素是信号量。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/71/ea/71b5fyy6284140986d04c0b6f87aedea.jpg)
在32位环境下如果state1不是64位对齐的地址那么state1的第一个元素是信号量后两个元素分别是waiter数和计数值。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/22/ac/22c40ac54cfeb53669a6ae39020c23ac.jpg)
然后我们继续深入源码看一下Add、Done和Wait这三个方法的实现。
在查看这部分源码实现时我们会发现除了这些方法本身的实现外还会有一些额外的代码主要是race检查和异常检查的代码。其中有几个检查非常关键如果检查不通过会出现panic这部分内容我会在下一小节分析WaitGroup的错误使用场景时介绍。现在我们先专注在Add、Wait和Done本身的实现代码上。
我先为你梳理下**Add方法的逻辑**。Add方法主要操作的是state的计数部分。你可以为计数值增加一个delta值内部通过原子操作把这个值加到计数值上。需要注意的是这个delta也可以是个负数相当于为计数值减去一个值Done方法内部其实就是通过Add(-1)实现的。
它的实现代码如下:
```
func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
statep, semap := wg.state()
// 高32bit是计数值v所以把delta左移32增加到计数上
state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
v := int32(state >> 32) // 当前计数值
w := uint32(state) // waiter count
if v > 0 || w == 0 {
return
}
// 如果计数值v为0并且waiter的数量w不为0那么state的值就是waiter的数量
// 将waiter的数量设置为0因为计数值v也是0,所以它们俩的组合*statep直接设置为0即可。此时需要并唤醒所有的waiter
*statep = 0
for ; w != 0; w-- {
runtime_Semrelease(semap, false, 0)
}
}
// Done方法实际就是计数器减1
func (wg *WaitGroup) Done() {
wg.Add(-1)
}
```
Wait方法的实现逻辑是不断检查state的值。如果其中的计数值变为了0那么说明所有的任务已完成调用者不必再等待直接返回。如果计数值大于0说明此时还有任务没完成那么调用者就变成了等待者需要加入waiter队列并且阻塞住自己。
其主干实现代码如下:
```
func (wg *WaitGroup) Wait() {
statep, semap := wg.state()
for {
state := atomic.LoadUint64(statep)
v := int32(state >> 32) // 当前计数值
w := uint32(state) // waiter的数量
if v == 0 {
// 如果计数值为0, 调用这个方法的goroutine不必再等待继续执行它后面的逻辑即可
return
}
// 否则把waiter数量加1。期间可能有并发调用Wait的情况所以最外层使用了一个for循环
if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
// 阻塞休眠等待
runtime_Semacquire(semap)
// 被唤醒,不再阻塞,返回
return
}
}
}
```
## 使用WaitGroup时的常见错误
在分析WaitGroup的Add、Done和Wait方法的实现的时候为避免干扰我删除了异常检查的代码。但是这些异常检查非常有用。
我们在开发的时候经常会遇见或看到误用WaitGroup的场景究其原因就是没有弄明白这些检查的逻辑。所以接下来我们就通过几个小例子一起学习下在开发时绝对要避免的3个问题。
### 常见问题一:计数器设置为负值
WaitGroup的计数器的值必须大于等于0。我们在更改这个计数值的时候WaitGroup会先做检查如果计数值被设置为负数就会导致panic。
一般情况下,有两种方法会导致计数器设置为负数。
第一种方法是:**调用Add的时候传递一个负数**。如果你能保证当前的计数器加上这个负数后还是大于等于0的话也没有问题否则就会导致panic。
比如下面这段代码计数器的初始值为10当第一次传入-10的时候计数值被设置为0不会有啥问题。但是再紧接着传入-1以后计数值就被设置为负数了程序就会出现panic。
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10)
wg.Add(-10)//将-10作为参数调用Add计数值被设置为0
wg.Add(-1)//将-1作为参数调用Add如果加上-1计数值就会变为负数。这是不对的所以会触发panic
}
```
第二个方法是:**调用Done方法的次数过多超过了WaitGroup的计数值**。
**使用WaitGroup的正确姿势是预先确定好WaitGroup的计数值然后调用相同次数的Done完成相应的任务**。比如在WaitGroup变量声明之后就立即设置它的计数值或者在goroutine启动之前增加1然后在goroutine中调用Done。
如果你没有遵循这些规则就很可能会导致Done方法调用的次数和计数值不一致进而造成死锁Done调用次数比计数值少或者panicDone调用次数比计数值多
比如下面这个例子中多调用了一次Done方法后会导致计数值为负所以程序运行到这一行会出现panic。
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1)
wg.Done()
wg.Done()
}
```
### 常见问题二不期望的Add时机
在使用WaitGroup的时候你一定要遵循的原则就是**等所有的Add方法调用之后再调用Wait**否则就可能导致panic或者不期望的结果。
我们构造这样一个场景只有部分的Add/Done执行完后Wait就返回。我们看一个例子启动四个goroutine每个goroutine内部调用Add(1)然后调用Done()主goroutine调用Wait等待任务完成。
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
go dosomething(100, &wg) // 启动第一个goroutine
go dosomething(110, &wg) // 启动第二个goroutine
go dosomething(120, &wg) // 启动第三个goroutine
go dosomething(130, &wg) // 启动第四个goroutine
wg.Wait() // 主goroutine等待完成
fmt.Println("Done")
}
func dosomething(millisecs time.Duration, wg *sync.WaitGroup) {
duration := millisecs * time.Millisecond
time.Sleep(duration) // 故意sleep一段时间
wg.Add(1)
fmt.Println("后台执行, duration:", duration)
wg.Done()
}
```
在这个例子中我们原本设想的是等四个goroutine都执行完毕后输出Done的信息但是它的错误之处在于将WaitGroup.Add方法的调用放在了子gorotuine中。等主goorutine调用Wait的时候因为四个任务goroutine一开始都休眠所以可能WaitGroup的Add方法还没有被调用WaitGroup的计数还是0所以它并没有等待四个子goroutine执行完毕才继续执行而是立刻执行了下一步。
导致这个错误的原因是没有遵循先完成所有的Add之后才Wait。要解决这个问题一个方法是预先设置计数值
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(4) // 预先设定WaitGroup的计数值
go dosomething(100, &wg) // 启动第一个goroutine
go dosomething(110, &wg) // 启动第二个goroutine
go dosomething(120, &wg) // 启动第三个goroutine
go dosomething(130, &wg) // 启动第四个goroutine
wg.Wait() // 主goroutine等待
fmt.Println("Done")
}
func dosomething(millisecs time.Duration, wg *sync.WaitGroup) {
duration := millisecs * time.Millisecond
time.Sleep(duration)
fmt.Println("后台执行, duration:", duration)
wg.Done()
}
```
另一种方法是在启动子goroutine之前才调用Add
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
dosomething(100, &wg) // 调用方法把计数值加1并启动任务goroutine
dosomething(110, &wg) // 调用方法把计数值加1并启动任务goroutine
dosomething(120, &wg) // 调用方法把计数值加1并启动任务goroutine
dosomething(130, &wg) // 调用方法把计数值加1并启动任务goroutine
wg.Wait() // 主goroutine等待代码逻辑保证了四次Add(1)都已经执行完了
fmt.Println("Done")
}
func dosomething(millisecs time.Duration, wg *sync.WaitGroup) {
wg.Add(1) // 计数值加1再启动goroutine
go func() {
duration := millisecs * time.Millisecond
time.Sleep(duration)
fmt.Println("后台执行, duration:", duration)
wg.Done()
}()
}
```
可见无论是怎么修复都要保证所有的Add方法是在Wait方法之前被调用的。
### 常见问题三前一个Wait还没结束就重用WaitGroup
“前一个Wait还没结束就重用WaitGroup”这一点似乎不太好理解我借用田径比赛的例子和你解释下吧。在田径比赛的百米小组赛中需要把选手分成几组一组选手比赛完之后就可以进行下一组了。为了确保两组比赛时间上没有冲突我们在模型化这个场景的时候可以使用WaitGroup。
WaitGroup等一组比赛的所有选手都跑完后5分钟才开始下一组比赛。下一组比赛还可以使用这个WaitGroup来控制因为**WaitGroup是可以重用的**。只要WaitGroup的计数值恢复到零值的状态那么它就可以被看作是新创建的WaitGroup被重复使用。
但是如果我们在WaitGroup的计数值还没有恢复到零值的时候就重用就会导致程序panic。我们看一个例子初始设置WaitGroup的计数值为1启动一个goroutine先调用Done方法接着就调用Add方法Add方法有可能和主goroutine并发执行。
```
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1)
go func() {
time.Sleep(time.Millisecond)
wg.Done() // 计数器减1
wg.Add(1) // 计数值加1
}()
wg.Wait() // 主goroutine等待有可能和第7行并发执行
}
```
在这个例子中第6行虽然让WaitGroup的计数恢复到0但是因为第9行有个waiter在等待如果等待Wait的goroutine刚被唤醒就和Add调用第7行有并发执行的冲突所以就会出现panic。
总结一下WaitGroup虽然可以重用但是是有一个前提的那就是必须等到上一轮的Wait完成之后才能重用WaitGroup执行下一轮的Add/Wait如果你在Wait还没执行完的时候就调用下一轮Add方法就有可能出现panic。
## noCopy辅助vet检查
我们刚刚在学习WaitGroup的数据结构时提到了里面有一个noCopy字段。你还记得它的作用吗其实它就是指示vet工具在做检查的时候这个数据结构不能做值复制使用。更严谨地说是不能在第一次使用之后复制使用( must not be copied after first use)。
你可能会说了为什么要把noCopy字段单独拿出来讲呢一方面把noCopy字段穿插到waitgroup代码中讲解容易干扰我们对WaitGroup整体的理解。另一方面也是非常重要的原因noCopy是一个通用的计数技术其他并发原语中也会用到所以单独介绍有助于你以后在实践中使用这个技术。
我们在[第3讲](https://time.geekbang.org/column/article/296541)学习Mutex的时候用到了vet工具。vet会对实现Locker接口的数据类型做静态检查一旦代码中有复制使用这种数据类型的情况就会发出警告。但是WaitGroup同步原语不就是Add、Done和Wait方法吗vet能检查出来吗
其实是可以的。通过给WaitGroup添加一个noCopy字段我们就可以为WaitGroup实现Locker接口这样vet工具就可以做复制检查了。而且因为noCopy字段是未输出类型所以WaitGroup不会暴露Lock/Unlock方法。
noCopy字段的类型是noCopy它只是一个辅助的、用来帮助vet检查用的类型:
```
type noCopy struct{}
// Lock is a no-op used by -copylocks checker from `go vet`.
func (*noCopy) Lock() {}
func (*noCopy) Unlock() {}
```
如果你想要自己定义的数据结构不被复制使用或者说不能通过vet工具检查出复制使用的报警就可以通过嵌入noCopy这个数据类型来实现。
## 流行的Go开发项目中的坑
接下来又到了喝枸杞红枣茶的时间了。你可以稍微休息一下心态放轻松地跟我一起围观下知名项目犯过的错比如copy Waitgroup、Add/Wait并发执行问题、遗漏Add等Bug。
有网友在Go的[issue 28123](https://github.com/golang/go/issues/28123)中提了以下的例子,你能发现这段代码有什么问题吗?
```
type TestStruct struct {
Wait sync.WaitGroup
}
func main() {
w := sync.WaitGroup{}
w.Add(1)
t := &TestStruct{
Wait: w,
}
t.Wait.Done()
fmt.Println("Finished")
}
```
这段代码最大的一个问题就是第9行copy了WaitGroup的实例w。虽然这段代码能执行成功但确实是违反了WaitGroup使用之后不要复制的规则。在项目中我们可以通过vet工具检查出这样的错误。
Docker [issue 28161](https://github.com/moby/moby/issues/28161) 和 [issue 27011](https://github.com/moby/moby/issues/27011) 都是因为在重用WaitGroup的时候没等前一次的Wait结束就Add导致的错误。Etcd [issue 6534](https://github.com/etcd-io/etcd/issues/6534) 也是重用WaitGroup的Bug没有等前一个Wait结束就Add。
Kubernetes [issue 59574](https://github.com/kubernetes/kubernetes/pull/59574) 的Bug是忘记Wait之前增加计数了这就属于我们通常认为几乎不可能出现的Bug。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/3f/f8/3ff86f54893c23d997113440a3a0e2f8.png)
即使是开发Go语言的开发者自己在使用WaitGroup的时候也可能会犯错。比如 [issue 12813](https://github.com/golang/go/issues/12813)因为defer的使用Add方法可能在Done之后才执行导致计数负值的panic。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/2f/5c/2f69127691a431300478d7d7d1c7bd5c.png)
## 总结
学完这一讲我们知道了使用WaitGroup容易犯的错是不是有些手脚被束缚的感觉呢其实大可不必只要我们不是特别复杂地使用WaitGroup就不用有啥心理负担。
而关于如何避免错误使用WaitGroup的情况我们只需要尽量保证下面5点就可以了
* 不重用WaitGroup。新建一个WaitGroup不会带来多大的资源开销重用反而更容易出错。
* 保证所有的Add方法调用都在Wait之前。
* 不传递负数给Add方法只通过Done来给计数值减1。
* 不做多余的Done方法调用保证Add的计数值和Done方法调用的数量是一样的。
* 不遗漏Done方法的调用否则会导致Wait hang住无法返回。
这一讲我们详细学习了WaitGroup的相关知识这里我整理了一份关于WaitGroup的知识地图方便你复习。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/84/ff/845yyf00c6db85c0yy59867e6de77dff.jpg)
## 思考题
通常我们可以把WaitGroup的计数值理解为等待要完成的waiter的数量。你可以试着扩展下WaitGroup来查询WaitGroup的当前的计数值吗
欢迎在留言区写下你的思考和答案,我们一起交流讨论。如果你觉得有所收获,也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友或同事。