概述

Go语言标准库中还包含条件变量 sync.Cond，它可以让一组 Goroutine 都在满足特定条件时被唤醒。每一个sync.Cond结构体在初始化时都需要传入一个互斥锁，我们可以通过下面的例子了解它的使用方法：

var status int64

func main(){
    c := sync.NewCond(&sync.mutex{})
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go listen(c)
    }
    time.Sleep(1 * time.Second)
    go broadcast(c)
    
    ch := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(ch, os.Interrupt)
    <-ch
}

func broadcast(c *sync.Cond) {
    c.L.Lock()
    atomic.StoreInt64(&status, 1)
    c.Broadcast()
    c.L.Unlock()
}

func listen(c *sync.Cond) {
    c.L.Lock()
    for atomic.LoadInt64(&status) != 1 {
        c.Wait()
    }
    fmt.Println("listen")
    c.L.Unlock()
}

运行结果：

listen
...
listen

上述代码同时运行了 11 个Goroutine，它们分别做了不同事情：

• 10个Goroutine通过sync.Cond.Wait等待特定条件满足
• 1个Goroutine会调用sync.Cond.Broadcast唤醒所有陷入等待的Goroutine

调用sync.Cond.Broadcast方法后，上述代码会打印出10次 "listen" 并结束调用。

结构体

sync.Cond的结构体中包含以下 4 个字段：

type Cond struct {
    noCopy   noCopy
    L        Locker
    notify   notifyList
    checker  copyChecker
}

• noCopy —— 用于保证结构体不会在编译期间复制
• L —— 用于保护内部的 notify 字段，Locker 接口类型的变量
• notify —— 一个 Goroutine 的链表，它是实现同步机制的核心结构
• copyChecker —— 用于禁止运行期间发生的复制

type notifyList struct {
    wait   uint32
    notify uint32
    lock   mutex
    head   *sudog
    tail   *sudog
}

在sync.notifyList结构体中，head和tail分别指向链表的头和尾，wait和notify分别表示当前正在等待的和已经通知的Goroutine的索引。

接口

sync.Cond对外暴露的sync.Cond.Wait方法会令当前Goroutine陷入休眠状态，它的执行过程分成以下两个步骤：

• 调用runtime.notifyListAdd将等待计时器加一并解锁
• 调用runtime.notifyListWait等待其他Goroutine被唤醒并对其加锁

func (c *Cond) Wait () {
    c.checker.check()
    t := runtime_notifyListAdd(&c.notify)  // runtime.notifyListAdd 的链接名
    c.L.Unlock()
    runtime_notifyListWait(&c.notify, t)   //runtime.notifyListWait 的链接名
    c.L.Lock()
}

func notifyListAdd(l *notifyList) uint32 {
    return atomic.Xadd(&l.wait, 1) - 1
}

runtime.notifyListWait 会获取当前Goroutine并将它追加到Goroutine通知链表的末端：

func notifyListWait(l *notifyList, t uint32) {
    s := acquireSudog()
    s.g = getg()
    s.ticket = t
    if l.tail == nil {
        l.head = s
    } else {
        l.tail.next = s
    }
    l.tail = s
    goparkunlock(&l.lock, waitReasonSyncCondWait, traceEvGoBlockCond, 3)
    releaseSudog(s)
}

除了将当前Goroutine追加到链表末端外，我们还会调用runtime.goparkunlock令当前Goroutine陷入休眠。该函数也是在Go语言切换Goroutine时常用的方法，它会直接让出当前处理器的使用权并等待调度器唤醒。

sync.Cond.Signal和sync.Cond.Broadcast方法就是用来唤醒陷入休眠的Goroutine的，它们的实现有一些细微差别：

• sync.Cond.Signal方法会唤醒队列最前面的Goroutine
• sync.Cond.Broadcast方法会唤醒队列中全部Goroutine

func (c *Cond) Signal() {
    c.checker.check()
    runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}

func (c *Cond) Broadcast() {
    c.checker.check()
    runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}

runtime.notifyListNotifyOne只会从sync.notifyList链表中找到满足sudog.ticket == l.notify条件的Goroutine，并通过runtime.readyWithTime将其唤醒：

func notifyListNotifyOne(l *notifyList) {
    t := l.notify
    atomic.Store(&l.notify, t + 1)
    
    for p, s := (*sudog)(nil), l.head; s != nil; p, s = s, s.next {
        if s.tiket == t {
            n := s.next
            if p != nil {
                p.next = n
            } else {
                l.head = n
            }
            if n == nil {
                l.tail = p
            }
            s.next = nil
            readyWithTime(s, 4)
            return
        }
    }
}

runtime.notifyListNotifyAll会依次通过runtime.readyWithTime唤醒链表中的Goroutine：

func notifyListNotifyAll(l *notifyList) {
    s := l.head
    l.head = nil
    l.tail = nil
    
    atomic.Store(&l.notify, atomic.Load(&l.wait))
    
    for s != nil {
        next := s.next
        s.next = nil
        readyWithTime(s, 4)
        s = next
    }
}

Goroutine的唤醒顺序也是按照加入队列的先后顺序，先加入的会先被唤醒，而后加入的Goroutine可能需要等待调度器的调度。

一般情况下，我们会先调用sync.Cond.Wait陷入休眠等待满足期望条件，当满足期望条件时，就可以选用sync.Cond.Signal或者sync.Cond.Broadcast唤醒一个或者全部Goroutine。

小结

sync.Cond不是常用的同步机制，但是在条件长时间无法满足时，与使用for {}进行忙碌等待相比，sync.Cond能够让出处理器的使用权，提高CPU的利用率。

使用时需要注意以下问题：

• sync.Cond.Wait在调用之前一定要先获取互斥锁，否则会触发程序崩溃
• sync.Cond.Signal唤醒的Goroutine都是队列最前面、等待最久的Goroutine
• sync.Cond.Broadcast会按照一定顺序广播通知等待的全部Goroutine