IT博客汇 | 学习C++20, 为Go的atomic类型插上一双翅膀

学习C++20, 为Go的atomic类型插上一双翅膀

smallnest发表于 2024-01-06 15:43:44

如果我们将Go语言的并发原语弄的滚瓜烂熟，那么我们使用组合的方式，创造出更高级的并发原语，针对一些特定的并发场景，可以提供更高效的并发原语。

这篇文章就是就是利用atomic中的并发原语和条件变量，组合出类似C++ 20规范中atomic类型的wait/notify_one/notify_all的功能。

C++20中的wait/notify_one/notify_all

在C++ 20规范中，为atomic类型增加了wait/notify_one/notify_all的功能，这样就可以实现类似Java中的wait/notify/notifyAll的功能.
这三个方法类似于Go中的Cond(条件变量)的Wait/Signal/Broadcast方法。

wait: 阻塞当前线程，直到被通知且原子值被改变，类似于Go中的Cond.Wait
notify_one: 通知至少一个阻塞在这个原子值上的线程，类似于Go中的Cond.Signal
notify_all: 通知所有阻塞在这个原子值上的线程，类似于Go中的Cond.Broadcast

c++也有条件变量，但是和Go的Cond类似，条件变量需要和mutex一起使用，而atomic类型的wait/notify_one/notify_all不需要和mutex一起使用的。

注意wait这个函数，

void wait( T old, std::memory_order order =
                      std::memory_order::seq_cst ) const noexcept;
void wait( T old, std::memory_order order =
                      std::memory_order::seq_cst ) const volatile noexcept;

它的行为就像重复下面的操作一样：

比较this->load(order)和old的值
- 如果相等，就阻塞当前线程，直到被notify_one() 或者 notify_all()唤醒,或者线程被虚假的解锁
- 如果不相等，就返回

这个函数保证返回时原子值被改变了，不管它是被唤醒的还是使用底层技术以虚假方式取消阻塞。

一个例子：

#include <atomic>
#include <chrono>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std::literals;
int main()
{
    // 创建原子布尔变量，表示所有任务是否完成
    std::atomic<bool> all_tasks_completed{false};
    
    // 创建原子无符号整数，表示完成的任务数量
    std::atomic<unsigned> completion_count{};
    
    // 创建包含16个std::future<void>对象的数组，用于存储异步任务的future
    std::future<void> task_futures[16];
    
    // 创建原子无符号整数，表示未完成的任务数量，初始值为16
    std::atomic<unsigned> outstanding_task_count{16};
    // 生成多个任务，每个任务模拟不同耗时，然后递减未完成任务数量
    for (std::future<void>& task_future : task_futures)
        task_future = std::async([&]
        {
            // 模拟真实工作...
            std::this_thread::sleep_for(50ms);
            
            // 增加已完成任务数量，递减未完成任务数量
            ++completion_count;
            --outstanding_task_count;
            // 当未完成任务数量减至零时，通知等待者（在本例中为主线程）
            if (outstanding_task_count.load() == 0)
            {
                all_tasks_completed = true;
                all_tasks_completed.notify_one();
            }
        });
    // 等待所有任务完成
    all_tasks_completed.wait(false);
    // 输出已完成任务的数量
    std::cout << "Tasks completed = " << completion_count.load() << '\n';
}

这个程序创建了16个异步任务，每个任务模拟了一些工作，然后通过原子操作更新已完成任务数量和未完成任务数量。主线程等待所有任务完成后输出已完成任务的数量。

注意：由于 ABA 问题，原子值瞬态变化老到另一个值，然后返回到老的值，这个变化可能会被监听者锁遗漏，被Wait方法阻塞的线程无法解锁。

使用场景

大部分场景下，我们使用C++的std::condition_variable或者Go语言中的sync.Cond就可以了。

比如使用Go语言中的条件变量，我们可以将上面的例子改造成下面的代码：

package main
import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
	"time"
)
func main() {
	var mu sync.Mutex
	cond := sync.NewCond(μ)
	// 任务是否已完成
	var completed atomic.Bool
	// 已完成的任务的数量
	var completionCount atomic.Int64
	// 未完成的任务的数量
	var outstandingTaskCount atomic.Int64
	outstandingTaskCount.Store(16)
	// 启动多个任务，每个任务模拟不同耗时，然后递减未完成任务数量
	for i := 0; i < 16; i++ {
		go func() {
			// 模拟真实工作...
			time.Sleep(50 * time.Millisecond)
			// 增加已完成任务数量，递减未完成任务数量
			completionCount.Add(1)
			newValue := outstandingTaskCount.Add(-1)
			// 当未完成任务数量减至零时，通知等待者（在本例中为主线程）
			if newValue == 0 {
				completed.Store(true)
				cond.Signal()
			}
		}()
	}
	// 等待所有任务完成
	mu.Lock()
	for !completed.Load() {
		cond.Wait()
	}
	mu.Unlock()
	// 输出已完成任务的数量
	fmt.Printf("Tasks completed = %v\n", completionCount.Load())
}

可以看到，我们使用atmoic的类型，加上Cond (包括Mutex)，可以实现变量更改了，并且达到某个条件时，通知等待者的功能。

针对这种使用atmoic的场景，我们是不是可以把atomic + Cond封装成一个新的类型，这样就可以更方便的使用了。

一旦封装起来，就像C++ 20这样做的一样，为atomic类型增加了一个通知的“翅膀”，在条件(配置)监控、消息等待、事件通知的场景中，可以更方便的使用。

接下来就是我做的一个尝试。

相关的代码可以在github.com/smallnest/exp/sync/atomicx上找到。

使用atomic.XXX和Cond, 实现wait/notify_one/notify_all

不像Rust、Scala这样的语言，Go语言表达能力还不是那么丰富，所以我们无法在原有的atomic.XXX类型上增加wait/notify_one/notify_all的方法，只能创建一个新的类型，然后在这个类型上增加这三个方法。

我们还是沿用Go语言的Wait/Signal/Broadcast的命名方式，这样使用者就不会感到陌生,而不是C++的wait/notify_one/notify_all命名方式。

你可以看到，标准库atomic包下针对不同的基本类型，有对应的atomic.XXX类型，比如atomic.Bool、atomic.Int32、atomic.Uint64等等，所以我们也沿用这种方式，创建了atomicx.Bool、atomicx.Int32、atomicx.Uint64等等。

你可以思考一下，为什么Go标准库不写成泛型的方式，，只提供一个atomicx.Atomic[T]类型，这样就可以避免创建这么多的类型了。

我们以atomicx.Int32为例，看看它的实现。
这里我们采用组合的方式，将atomic.Int32和sync.Cond组合在一起，然后在这个组合类型上增加Wait/Signal/Broadcast方法。

type Int32 struct {
	atomic.Int32
	mu      sync.Mutex
	condvar *sync.Cond
}
// Wait blocks until the int32 is not equal to the given value.
func (ai *Int32) Wait() {
	v := ai.Load()
	ai.mu.Lock()
	defer ai.mu.Unlock()
	if ai.condvar == nil {
		ai.condvar = sync.NewCond(&ai.mu)
	}
	for ai.Load() == v {
		ai.condvar.Wait()
	}
}
// Broadcast wakes all goroutines waiting on the int32.
func (ai *Int32) Broadcast() {
	ai.mu.Lock()
	defer ai.mu.Unlock()
	if ai.condvar == nil {
		ai.condvar = sync.NewCond(&ai.mu)
	}
	ai.condvar.Broadcast()
}
// Signal wakes one goroutine waiting on the int32.
func (ai *Int32) Signal() {
	ai.mu.Lock()
	defer ai.mu.Unlock()
	if ai.condvar == nil {
		ai.condvar = sync.NewCond(&ai.mu)
	}
	ai.condvar.Signal()
}

我们采用Go标准库sync包中的各种同步原语的风格，声明的时候默认零值，不需要new(XXX)方式显式创建，这样使用起来更方便。
这样就带来一个问题，怎么初始化sync.Cond字段呢？它是需要NewCond 函数创建的，传入一个Locker。
这里我们使用一个技巧，惰式初始化，需要使用它的时候，先请求锁，然后在检查它是否初始化了，如果没有初始化，就初始化它。

Wait方法就是不断的Load这个原子值，和初始值进行比较，如果相等，就阻塞当前线程，直到被Signal或者Broadcast唤醒，当值不一致时，返回。

Signal和Broadcast方法就是调用sync.Cond的Signal和Broadcast方法。

这是一个比较简单的通过组合的方式实现C++ 20中atomic类型的wait/notify_one/notify_all的功能的例子。
相信将Cond和Mutex的实现的代码拆解出来，再加上atomic.XXX的实现，你可能会实现性能更高的同样功能的同步原语，那样代码可能就变得复杂反而不如这种组合的方式更容易维护。

使用atomicx改写上面的例子

既然我们实现了一个封装类型atomicx.Bool,我们就用起来。

那么我们就可以把下面三个字段使用一个var completed atomicx.Bool来替换了。

var mu sync.Mutex
cond := sync.NewCond(μ)
// 任务是否已完成
var completed atomic.Bool

如果条件满足，我们可以把completed设置为true,并且通知一个等待的goroutine。
等待的goroutine的代码也可以简化，只使用一条completed.Wait()就行了，不需要加锁和For循环。

package main
import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
	"time"
	"github.com/smallnest/exp/sync/atomicx"
)
func main() {
	// 任务是否已完成
	var completed atomicx.Bool
	// 已完成的任务的数量
	var completionCount atomic.Int64
	// 未完成的任务的数量
	var outstandingTaskCount atomic.Int64
	outstandingTaskCount.Store(16)
	// 启动多个任务，每个任务模拟不同耗时，然后递减未完成任务数量
	for i := 0; i < 16; i++ {
		go func() {
			// 模拟真实工作...
			time.Sleep(50 * time.Millisecond)
			// 增加已完成任务数量，递减未完成任务数量
			completionCount.Add(1)
			newValue := outstandingTaskCount.Add(-1)
			// 当未完成任务数量减至零时，通知等待者（在本例中为主线程）
			if newValue == 0 {
				completed.Store(true)
				completed.Signal()
			}
		}()
	}
	// 等待所有任务完成
	completed.Wait()
	// 输出已完成任务的数量
	fmt.Printf("Tasks completed = %v\n", completionCount.Load())
}

注意completed.Wait()一定要在completed.Store(true)之前，否则主goroutine可能永远被阻塞。

解决 ABA 问题

如果一个原子量快速的从A变成B，然后又快速的从B变成A，那么一个等待者可能会错过这个变化，从而导致它永远阻塞。
为了解决这个问题，我们可以在原子量的值的基础上增加一个版本号，每次变化的时候，版本号也会变化，这样等待者就可以检查版本号是否变化了，如果变化了，就不会阻塞。

下面就是定义了一个要原子操作的类型,每次做更改的时候:

type Completed struct {
	Value   bool
	Version int64
}

这样即使completed.Value的值从true变成false，但是Version的值也会变化，这样等待者就不会错过这个变化了:

package main
import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
	"time"
	"github.com/smallnest/exp/sync/atomicx"
)
type Completed struct {
	Value   bool
	Version int64
}
func main() {
	// 任务是否已完成
	var completed atomicx.Pointer[Completed]
	completed.Store(&Completed{Value: false, Version: 0})
	// 已完成的任务的数量
	var completionCount atomic.Int64
	// 未完成的任务的数量
	var outstandingTaskCount atomic.Int64
	outstandingTaskCount.Store(16)
	// 启动多个任务，每个任务模拟不同耗时，然后递减未完成任务数量
	for i := 0; i < 16; i++ {
		go func() {
			// 模拟真实工作...
			time.Sleep(50 * time.Millisecond)
			// 增加已完成任务数量，递减未完成任务数量
			completionCount.Add(1)
			newValue := outstandingTaskCount.Add(-1)
			// 当未完成任务数量减至零时，通知等待者（在本例中为主线程）
			if newValue == 0 {
                // 如果不能确保Version的并发安全修改，下面的代码需要修改成CompareAndSwap的spin的方式
				completed.Store(&Completed{Value: true, Version: completed.Load().Version + 1})
				completed.Store(&Completed{Value: false, Version: completed.Load().Version + 1}) // 伪造一个操作，把值又设置回false
				completed.Signal()
			}
		}()
	}
	// 等待所有任务完成
	completed.Wait()
	// 输出已完成任务的数量
	fmt.Printf("Tasks completed = %+v, %+v\n", completionCount.Load(), completed.Load())
}