Sync.Once 实现单例与 sync.Pool

[MarsonShine]

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深入理解 sync.Once 与 sync.Pool

sync.Once 代表在这个对象下在这个示例下多次执行能保证只会执行一次操作。

var once sync.Once
for i:=0; i < 10; i++ {
	once.Do(func(){
		fmt.Println("execed...")
	})
}

在上面的例子中，once.Do 的参数 func 函数就会保证只执行一次。

sync.Once 原理

那么 sync.Once 是如何保证 Do 执行体函数只执行一次呢？

从 sync.Once 的源码就可以看出其实就是通过一个 uint32 类型的 done 标识实现的。当 done = 1 就标识着已经执行过了。Once 的源码非常简短

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()
	}
}

Do 方法内部用到了内存加载同步原语 atomic.LoadUint32，done = 0 表示还没有执行，所以多个请求在 f 执行前都会进来执行 o.doSlow(f)，然后通过互斥锁使保证多个请求只有一个才能成功执行，保证了 f 成功返回之后才会内存同步原语将 done 设置为 1。最后释放锁，后面的请求就因无法满足判断而退出。

如果仔细查看源代码中的注释就会发现 go 团队还解释了为什么没有使用 cas 这种同步原语实现。因为 sync.Once 的 Do(f) 在执行的时候要**保证只有在 f 执行完之后 do 才返回。**想象一下有至少两个请求，Do 是用 cas 实现的：

func (o *Once) Do(f func()) {
	if atomic.CompareAndSwapUint32(&o.done, 0, 1) {
		f()
	}
}

虽然 cas 保证了同一时刻只有一个请求进入 if 判断执行 f()。但是其它的请求却没有等待 f() 执行完成就立即返回了。那么用户端在执行 once.Do 返回之后其实就可能存在 f() 还未完成，就会出现意料之外的错误。如下面例子

var db SqlDb
var once sync.Once
for i:=0; i < 2; i++ {
	once.Do(func() {
         db = NewSqlDB()
        fmt.Println("execed...")
    })
}
// #1
db.Query("select * from table")
...

根据上述如果是用 cas 实现的 once，那么当 once.Do 执行完返回并且循环体结束到达 #1 时，由于 db 的初始化函数可能还没完成，那么这个时候 db 还是 nil，那么直接调用 db.Query 就会发生错误了。

sync.Once 使用限制

由于 Go 语言一切皆 struct 的特性，我们在使用 sync.Once 的时候一定要注意不要通过传递参数使用。因为 go 对于 sync.Once 参数传递是值传递，会将原来的 once 拷贝过来，所以有可能会导致 once 会重复执行或者是已经执行过了就不会执行的问题。

func main() {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		once.Do(func() {
			fmt.Println("execed...")
		})
	}
	duplicate(once)
}

func duplicate(once sync.Once) {
	for i := 0; i < 10; i++ {
		once.Do(func() {
			fmt.Println("execed2...")
		})
	}
}

比如上述例子，由于 once 已经执行过一次，once.done 已经为 1。这个时候再通过传递，由于 once.done 已经为1，所以就不会执行了。上面的输出结果只会打印第一段循环的结果 execed...。

sync.Pool

sync.Pool 其实把初始化的对象放到内部的一个池对象中，等下次访问就直接返回池中的对象，如果没有的话就会生成这个对象放入池中。Pool 的目的是”预热“，即初始化但还未立即使用的对象，由于预先初始化至 Pool，所以到后续取得时候就直接返回已经初始化过得对象即可。这样提高了程序吞吐，因为有时候在运行时初始化一些对象的开销是非常昂贵的，如数据库连接对象等。

现在我们来深入分析 Pool

sync.Pool 原理

sync.Pool 核心对象有三个

1. New：函数，负责对象初始化
2. Get：获取 Pool 中的对象，如果 Pool 中对象不存在则会调用 New
3. Put：将对象放入 Pool 中

New func

Pool 的结构很简单，就 5 个字段

type Pool struct {
	...
	New func() interface{}
}

字段 New 是一个初始化对象的指针，该方法不是必填的，当没有设置 New 函数时，调用 Get 方法会返回 nil。只有在指定了 New 函数体后，调用 Get 如果发现 Pool 中没有就会调用 New 初始化方法并返回该对象。

poolLocalInternal

在将 Get、Put 之前得先了解 poolLocalInternal 这个对象，里面只有两个对象，都是用来存储要用的对象的：

type poolLocalInternal struct {
	private interface{} // Can be used only by the respective P.
	shared  poolChain   // Local P can pushHead/popHead; any P can popTail.
}

操作这个对象时必须要把当前的 goroutine 绑定到 P，并且禁止让出 g。在 Get 和 Put 操作时都是优先操作 private 这个字段，只有在这个字段为 nil 的情况下才会转而读取 poolChain 共享链表，每读取操作都是一次 pop。

Get

每个当前 goroutine 都拥有一个 poolLocalInternal.private，在 g 调用 Get 方法时会做如下方法：

1. 查询 private 是否有值，有直接返回；没有查询共享 poolChain 链表
2. 如果 poolChain 链表 pop 返回的值不为 nil，则直接返回；如果没有值则转向其它 P 中的 poolChain 队列中存在的值
3. 如果其它的 P 的共享队列中都没有值，就会尝试在主存中地址获取对应的值返回
4. 最终都没有就会执行 New 函数体返回，没有设置 New 则返回 nil。

从上面的调用过程来看，Pool.Get 获取值的过程在一定程度与 gmp 模型有很多相似的地方的。

Put

Put 操作就比较简单了，优先将值赋值给 poolLocalInternal.private （同样是固定将当前的 G 绑定到 P 上），如果同时有多个值 Put，那么就会将剩余的值插入到共享链表 poolChain

sync.Pool 使用限制

因为 pool 每次的 get 操作都会将值 remove + return，相当于用完即抛。并且要注意 Get 的执行过程。Put 方法的参数类型可以是任意类型，一定要切记不要将不同类型的值存进去。如果存在多协程（或循环）调用 Get 时，你无法确定哪次调用的就是你想要的类型而导致出现未知的错误。