Golang WaitGroup原理

最近在学习Golang的WaitGroup，但对它的实现原理还不太理解。想请教下：

  1. WaitGroup内部是怎么实现计数和等待机制的？
  2. 它的Add()、Done()和Wait()方法具体是怎么协作的？
  3. 底层使用了哪些同步原语？
  4. 在高并发场景下使用WaitGroup需要注意什么？ 希望能结合实际代码示例讲解下原理，谢谢！
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Golang WaitGroup基于计数器实现并发控制。通过Add()增加计数，Done()减少计数，Wait()阻塞直到计数器归零。内部使用信号量机制实现高效等待。适用于等待一组goroutine完成执行的场景。

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Golang 中的 WaitGroup 是 sync 包提供的一种同步原语，用于等待一组 goroutine 完成执行。其核心原理如下：

核心结构

type WaitGroup struct {
    noCopy noCopy
    state1 [3]uint32
}
  • noCopy 防止值拷贝（编译期检查）。
  • state1 存储状态和信号量，包含：
    • 计数器（counter）：当前未完成的 goroutine 数量。
    • 等待器数量（waiter）：调用 Wait() 的 goroutine 数。
    • 信号量（sema）：用于阻塞和唤醒 Wait()。

关键方法

  1. Add(delta int)

    • 增加或减少计数器（delta 可为负值）。
    • 若计数器变为 0，唤醒所有等待的 goroutine。
    • 若计数器为负，触发 panic。

  2. Done()

    • 调用 Add(-1)，表示一个 goroutine 完成。

  3. Wait()

    • 等待计数器归零。
    • 若计数器不为 0，阻塞当前 goroutine 直至被唤醒。

工作流程

  1. 主 goroutine 调用 Add(n) 设置需等待的 goroutine 数量。
  2. 启动多个 goroutine，每个在结束时调用 Done()。
  3. 主 goroutine 调用 Wait() 阻塞，直到所有 goroutine 完成（计数器为 0）。

底层实现

  • 使用原子操作（atomic）保证计数器与等待器的线程安全。
  • 通过信号量（sema）实现 goroutine 的阻塞与唤醒：
    • Wait() 在计数器 >0 时，通过 runtime.semacquire 阻塞。
    • 最后一个 Done()（计数器归零）通过 runtime.semrelease 唤醒所有等待者。

示例代码

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 3; i++ {
        wg.Add(1) // 增加计数器
        go func(id int) {
            defer wg.Done() // 完成后减少计数器
            fmt.Printf("Goroutine %d done\n", id)
        }(i)
    }
    wg.Wait() // 等待所有完成
    fmt.Println("All goroutines finished")
}

注意事项

  • 调用 Add() 必须在启动 goroutine 前，避免竞态条件。
  • 严禁复制 WaitGroup（通过 noCopy 保障）。
  • 计数器归零后，WaitGroup 可重复使用（通过 Add() 重置）。

通过原子操作与信号量的高效结合，WaitGroup 以最小开销实现多 goroutine 的同步等待。

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