Go WaitGroup 实现原理

WaitGroup，可理解为 Wait-Goroutine-Group，即等待一组 goroutine 结束。比如某个 goroutine 需要等待其他几个 goroutine 全部完成，那么使用 WaitGroup 可以轻松实现。

下面程序展示了一个 goroutine 等待另外两个 goroutine 结束的例子：

package main

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

func main() {
    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(2) //设置计数器，数值即为goroutine的个数
    go func() {
        //Do some work
        time.Sleep(1*time.Second)

        fmt.Println("Goroutine 1 finished!")
        wg.Done() //goroutine执行结束后将计数器减1
    }()

    go func() {
        //Do some work
        time.Sleep(2*time.Second)

        fmt.Println("Goroutine 2 finished!")
        wg.Done() //goroutine执行结束后将计数器减1
    }()

    wg.Wait() //主goroutine阻塞等待计数器变为0
    fmt.Printf("All Goroutine finished!")
}

简单的说，上面程序中 wg 内部维护了一个计数器：

启动 goroutine 前将计数器通过 Add (2) 将计数器设置为待启动的 goroutine 个数。
启动 goroutine 后，使用 Wait () 方法阻塞自己，等待计数器变为 0。
每个 goroutine 执行结束通过 Done () 方法将计数器减 1。
计数器变为 0 后，阻塞的 goroutine 被唤醒。

其实 WaitGroup 也可以实现一组 goroutine 等待另一组 goroutine，这有点像玩杂技，很容出错，如果不了解其实现原理更是如此。实际上，WaitGroup 的实现源码非常简单。

信号量

信号量是 Unix 系统提供的一种保护共享资源的机制，用于防止多个线程同时访问某个资源。

可简单理解为信号量为一个数值：

当信号量 > 0 时，表示资源可用，获取信号量时系统自动将信号量减 1；
当信号量 ==0 时，表示资源暂不可用，获取信号量时，当前线程会进入睡眠，当信号量为正时被唤醒；

由于 WaitGroup 实现中也使用了信号量，在此做个简单介绍。

WaitGroup

源码包中 src/sync/waitgroup.go:WaitGroup 定义了其数据结构：

type WaitGroup struct {
	state1 [3]uint32
}

state1 是个长度为 3 的数组，其中包含了 state 和一个信号量，而 state 实际上是两个计数器：

counter：当前还未执行结束的 goroutine 计数器
waiter count: 等待 goroutine-group 结束的 goroutine 数量，即有多少个等候者
semaphore: 信号量

考虑到字节是否对齐，三者出现的位置不同，为简单起见，依照字节已对齐情况下，三者在内存中的位置如下所示：

WaitGroup 对外提供三个接口：

Add (delta int): 将 delta 值加到 counter 中
Wait ()： waiter 递增 1，并阻塞等待信号量 semaphore
Done ()： counter 递减 1，按照 waiter 数值释放相应次数信号量

下面分别介绍这三个函数的实现细节。

Add () 做了两件事，一是把 delta 值累加到 counter 中，因为 delta 可以为负值，也就是说 counter 有可能变成 0 或负值，所以第二件事就是当 counter 值变为 0 时，跟据 waiter 数值释放等量的信号量，把等待的 goroutine 全部唤醒，如果 counter 变为负值，则 panic.

Add () 伪代码如下：

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
    statep, semap := wg.state() //获取state和semaphore地址指针

    state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32) //把delta左移32位累加到state，即累加到counter中
    v := int32(state >> 32) //获取counter值
    w := uint32(state)      //获取waiter值

    if v < 0 {              //经过累加后counter值变为负值，panic
        panic("sync: negative WaitGroup counter")
    }

    //经过累加后，此时，counter >= 0
    //如果counter为正，说明不需要释放信号量，直接退出
    //如果waiter为零，说明没有等待者，也不需要释放信号量，直接退出
    if v > 0 || w == 0 {
        return
    }

    //此时，counter一定等于0，而waiter一定大于0（内部维护waiter，不会出现小于0的情况），
    //先把counter置为0，再释放waiter个数的信号量
    *statep = 0
    for ; w != 0; w-- {
        runtime_Semrelease(semap, false) //释放信号量，执行一次释放一个，唤醒一个等待者
    }
}

Wait () 方法也做了两件事，一是累加 waiter, 二是阻塞等待信号量

func (wg *WaitGroup) Wait() {
    statep, semap := wg.state() //获取state和semaphore地址指针
    for {
        state := atomic.LoadUint64(statep) //获取state值
        v := int32(state >> 32)            //获取counter值
        w := uint32(state)                 //获取waiter值
        if v == 0 {                        //如果counter值为0，说明所有goroutine都退出了，不需要待待，直接返回
            return
        }

        // 使用CAS（比较交换算法）累加waiter，累加可能会失败，失败后通过for loop下次重试
        if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
            runtime_Semacquire(semap) //累加成功后，等待信号量唤醒自己
            return
        }
    }
}

这里用到了 CAS 算法保证有多个 goroutine 同时执行 Wait () 时也能正确累加 waiter。

Done () 只做一件事，即把 counter 减 1，我们知道 Add () 可以接受负值，所以 Done 实际上只是调用了 Add (-1)。

源码如下：

func (wg *WaitGroup) Done() {
	wg.Add(-1)
}

Done () 的执行逻辑就转到了 Add ()，实际上也正是最后一个完成的 goroutine 把等待者唤醒的。

Add () 操作必须早于 Wait (), 否则会 panic
Add () 设置的值必须与实际等待的 goroutine 个数一致，否则会 panic

Go WaitGroup 实现原理

信号量

WaitGroup

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