go sync Once实现原理示例解析

目录

• 正文
• Once 的实现
• 使用示例
• Once 的一些工作机制
• Once 详解
• hotpath
• atomic.LoadUint32
• atomic.StoreUint32
• Mutex
• 总结

正文

在很多情况下，我们可能需要控制某一段代码只执行一次，比如做某些初始化操作，如初始化数据库连接等。 对于这种场景，go 为我们提供了 sync.Once 对象，它保证了某个动作只被执行一次。 当然我们也是可以自己通过 Mutex 实现 sync.Once 的功能，但是相比来说繁琐了那么一点， 因为我们不仅要自己去控制锁，还要通过一个标识来标志是否已经执行过。

Once 的实现

Once 的实现非常简单，如下，就只有 20 来行代码，但里面包含了 go 并发、同步的一些常见处理方法。

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()
   }
}

简要说明：

• done 字段指示了操作是否已执行，也就是我们传递给 Do 的函数是否已经被执行。
• Do 方法接收一个函数参数，这个函数参数只会被执行一次。
• Once 内部是通过 Mutex 来实现不同协程之间的同步的。

使用示例

在下面的例子中，once.Do(test) 被执行了 3 次，但是最终 test 只被执行了一次。

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 会调用 3 次，但最终只会执行一次
         once.Do(test)
         wg.Done()
      }()
   }
   wg.Wait()
   fmt.Println(a) // 1
}

Once 的一些工作机制

• Once 的 Do 方法可以保证，在多个 goroutine 同时执行 Do 方法的时候， 在第一个抢占到 Do 执行权的 goroutine 执行返回之前，其他 goroutine 都会阻塞在 Once.Do 的调用上， 只有第一个 Do 调用返回的时候，其他 goroutine 才可以继续执行下去，并且其他所有的 goroutine 不会再执行传递给 Do 的函数。（如果是初始化的场景，这可以避免尚未初始化完成就执行其他的操作）
• 如果 Once.Do 发生 panic 的时候，传递给 Do 的函数依然被标记为已完成。后续对 Do 的调用也不会再执行传给 Do 的函数参数。
• 我们不能简单地通过 atomic.CompareAndSwapUint32 来决定是否执行 f()，因为在多个 goroutine 同时执行的时候，它无法保证 f() 只被执行一次。所以 Once 里面用了 Mutex，这样就可以有效地保护临界区。

// 错误实现，这不能保证 f 只被执行一次
if atomic.CompareAndSwapUint32(&o.done, 0, 1) {
    f()
}

• Once.Do 的函数参数是没有参数的，如果我们需要传递一些参数，可以再对 f 做一层包裹。

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

Once 详解

hotpath

这里说的 hotpath 指的是 Once 里的第一个字段 done：

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

Once 结构体的第一个字段是 done，这是因为 done 的访问是远远大于 Once 中另外一个字段 m 的， 放在第一个字段中，编译器就可以做一些优化，因为结构体的地址其实就是结构体第一个字段的地址， 这样一来，在访问 done 字段的时候，就不需要通过结构体地址 + 偏移量的方式来访问， 这在一定程度上提高了性能。

结构体地址计算示例：

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 的地址也可以通过：结构体地址 + age 字段偏移量 计算得出。
   // 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，是通过 atomic.LoadUint32 的方式来判断 done 是否等于 0 的， 这是因为，如果直接使用 done == 0 的方式的话，就有可能导致在 doSlow 里面对 done 设置为 1 之后， 在 Do 方法里面无法正常观测到。因此用了 atomic.LoadUint32。

而在 doSlow 里面是可以通过 done == 0 来判断的，这是因为 doSlow 里面已经通过 Mutex 保护起来了。 唯一设置 done = 1 的地方就在临界区里面，所以 doSlow 里面通过 done == 0 来判断是完全没有问题的。

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，设置 done 为 1 也是通过 atomic.StoreUint32 来设置的。 这样就可以保证在设置了 done 为 1 之后，可以及时被其他 goroutine 看到。

Mutex

doSlow 的实现里面，最终还是要通过 Mutex 来保护临界区， 通过 Mutex 可以实现 f 只被执行一次，并且其他的 goroutine 都可以使用这一次 f 的执行结果。 因为其他 goroutine 在第一次 f 调用未返回之前，都阻塞在获取 Mutex 锁的地方， 当它们获取到 Mutex 锁的时候，得以继续往下执行，但这个时候 f 已经执行完毕了， 所以当它们获取到 Mutex 锁之后其实什么也没有干。

但是它们的阻塞状态被解除了，可以继续往下执行。

总结

• Once 保证了传入的函数只会执行一次，这常常用在一些初始化的场景、或者单例模式。
• Once 可以保证所有对 Do 的并发调用都是安全的，所有对 Once.Do 调用之后的操作，一定会在第一次对 f 调用之后执行。（没有获取到 f 执行权的 goroutine 会阻塞）
• 即使 Once.Do 里面的 f 出现了 panic，后续也不会再次调用 f。

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