Go语言学习笔记 | Sync包与同步原语
Go语言学习笔记 | Sync包与同步原语
一、引言
并发模型和Go语言的核心特性之一，Go语言的并发模型主要基于goroutines和channel。goroutine是由Go运行时管理的轻量级线程，它们使用非常少的内存，并且可以快速地创建和销毁。channel则是用于在goroutines之间传递消息的管道，它们可以是同步的也可以是异步的，为数据交换提供了一种安全且简单的方式。
然而，并非所有的并发问题都最适合用channels来解决。在某些情况下，直接使用同步原语来控制对共享资源的访问会更加高效和直接。
Go的标准库sync提供了多种同步工具，包括互斥锁（Mutex）、读写锁（RWMutex）、等待组（WaitGroup）和一次性执行（Once）等，这些都是我们将在本文中深入探讨的主题。
本文旨在介绍Go语言中的同步原语和锁，解释它们的工作原理，以及如何在实际编程中正确地使用它们。
二、同步原语：标准库sync包
Go 语言在 sync 包中提供了一些同步原语，包括常见的 sync.Mutex、sync.RWMutex、sync.WaitGroup、sync.Once 和 sync.Cond：
[sync.Mutex](https://draveness.me/golang/tree/sync.Mutex) (互斥锁）
Mutex是最基本的同步原语之一，用于保护共享资源，防止多个goroutine在同一时间对同一资源进行读写，从而避免竞态条件。Mutex提供了Lock和Unlock方法，用于在访问共享资源前后加锁和解锁。当一个goroutine获得了Mutex锁，其他尝试获取该锁的goroutine会阻塞，直到锁被释放。
sync.RWMutex（读写锁）
RWMutex是一种特殊类型的互斥锁，它允许多个goroutine同时读取共享资源，但在写入时需要独占访问。RWMutex提供了RLock和RUnlock方法用于读操作的锁定和解锁，以及Lock和Unlock方法用于写操作。这种锁机制在读多写少的场景下非常有用，因为它可以提高并发性能。
WaitGroup
WaitGroup用于等待一组goroutine完成。它在协调多个goroutine执行结束时非常有用，比如在主goroutine中等待一组工作goroutine完成任务。- 通过
Add方法设置计数器，每启动一个工作goroutine就增加计数。工作goroutine完成后调用Done（本质上是Add(-1)）来减少计数器。Wait方法会阻塞调用它的goroutine，直到计数器为零。
Once
Once是一个同步原语，它能保证在多个goroutine中只有一个能执行某个操作，且只执行一次。这在初始化共享资源或执行只需要运行一次的设置代码时非常有用。Once只有一个方法Do，它接收一个函数作为参数，确保这个函数在程序运行期间只被执行一次，无论它被多少个goroutine调用。
Cond（条件变量）
Cond实现了条件变量，一个能够阻塞goroutine直到某个条件为真的同步原语。条件变量总是与互斥锁（Mutex）一起使用，以避免竞态条件。Cond提供了Wait方法来挂起当前goroutine，直到被Signal或Broadcast方法唤醒。Signal唤醒等待队列中的一个goroutine，而Broadcast唤醒所有等待的goroutine。
三、同步原语与Channel比较
Channel应用场景
Channel是一种用于在不同的goroutine之间进行通信和同步的机制。适用场景包括：
- 在多个
goroutine之间传递数据或消息。 - 实现生产者-消费者模式，其中一个
goroutine负责生产数据，另一个或多个goroutine负责消费数据。 - 实现并发任务的协调和同步。
同步原语的应用场景
同步原语是一种用于控制并发访问共享资源的机制，如锁、条件变量等。适用场景包括：
- 在多个
goroutine之间对共享资源进行互斥访问，确保数据的一致性和正确性。 - 控制并发执行的顺序，如使用互斥锁来实现临界区的互斥访问。
- 实现线程间的等待和通知机制，如使用条件变量来实现等待和唤醒操作。
四、高级同步技术
原子操作（sync/atomic包）
原子操作是一种无需锁定的并发编程技术，可以保证对共享变量的操作是原子性的。在Go语言中，可以使用sync/atomic包提供的原子操作函数来实现。常见的原子操作包括原子增减、原子交换和原子比较交换等。原子操作适用于需要对共享变量进行简单的读写操作，并且不需要复杂的同步机制。
信号量模式（semaphore）
信号量是一种用于控制并发访问资源的同步机制。它可以限制同时访问某个资源的线程或协程的数量。在Go语言中，可以使用channel或sync包中的WaitGroup来实现信号量模式。通过控制信号量的数量，可以实现对资源的并发访问控制，避免资源过度竞争和冲突。
Barrier（屏障）：
屏障是一种同步机制，用于确保多个线程或协程在某个点上同步等待，直到所有线程都到达该点后才能继续执行。屏障可以用于解决多个线程或协程之间的协调问题，例如在并行计算中，当所有计算任务完成后，才能进行下一步的操作。在Go语言中，可以使用sync包中的WaitGroup来实现屏障。