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在 Go 语言的并发编程中,常常会遇到需要确保某个操作仅执行一次的场景。sync.Once
是 Go 标准库中的一个简单而强大的工具,专门用于解决这种需求。本文将深入解析 sync.Once
的使用方法和原理,帮助你更好地理解 sync.Once
在并发控制中的用法。
sync.Once
sync.Once
是 Go 语言 sync
包中的一种同步原语。它可以确保一个操作(通常是一个函数)在程序的生命周期中只被执行一次,不论有多少 goroutine 同时调用该操作,这就保证了并发安全。
根据 sync.Once
的特点,很容易想到它的几种常见使用场景:
单例模式:确保某个对象或配置仅初始化一次,例如使用单例模式初始化数据库连接池、配置文件加载等。
懒加载:在需要时才加载某些资源,且保证它们只会加载一次。
并发安全的初始化:当初始化过程涉及多个 goroutine 时,使用 sync.Once
保证初始化函数不会被重复调用。
快速上手
sync.Once
用法非常简单,示例如下:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var once sync.Once
onceBody := func() {
fmt.Println("Only once")
}
done := make(chan bool)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
once.Do(onceBody)
done <- true
}()
}
for i := 0; i < 10; i++ {
<-done
}
}
复制代码
首先使用 var once sync.Once
声明了一个 sync.Once
类型的变量 once
,但不必显式初始化,这也是 sync
下很多包的惯用法。
然后定义了一个函数 onceBody
,接着启动 10 个 goroutine 并发调用 once.Do(onceBody)
,最终等待所有 goroutine 执行结束并退出。
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run once/main.go
Only once
复制代码
和预期一样,once.Do
能够保证传递给它的函数 onceBody
只被执行一次。
其实就算不启用多个 goroutine,直接在主 goroutine 中调用多次 once.Do(onceBody)
,也能保证只执行一次:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var once sync.Once
onceBody := func() {
fmt.Println("Only once")
}
for i := 0; i < 10; i++ {
once.Do(onceBody)
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run once/main.go
Only once
复制代码
执行结果也是一样的,仅会执行一次。
至此,我们就学会了如何使用 sync.Onec
。以上就是 sync.Onec
提供的全部 API 了,没错它仅对外暴露了一个 Do
方法。
现在,我想你应该知道如何使用 sync.Onec
来实现单例模式了,我在另一篇文章《Go 常见设计模式之单例模式》中也有讲解。
详细介绍
我们快速上手了 sync.Onec
的使用方法,下面我们来看下 Go 官方是如何介绍 sync.Onec
的。
Go 官方文档 对 sync.Once
的介绍只有简单三句话:
<font style="color:rgb(32, 34, 36);">Once is an object that will perform exactly one action.</font>
<font style="color:rgb(32, 34, 36);">A Once must not be copied after first use.</font>
<font style="color:rgb(32, 34, 36);">In the terminology of </font><font style="color:rgb(32, 34, 36);">the Go memory model</font><font style="color:rgb(32, 34, 36);">, the return from f “synchronizes before” the return from any call of once.Do(f).</font>
<font style="color:rgb(32, 34, 36);">意思是说:</font>
Once 是一个对象,它会确保某个操作只执行一次。
在首次使用后,Once 对象不能被复制。
根据 Go 内存模型的术语,f 函数的返回 "<font style="color:rgb(32, 34, 36);">synchronizes before</font>" 于 once.Do(f) 的任何调用返回。
首先第一句话中所说的只执行一次的特性我们已经见识过了。
对于第二句话中的 Once 对象不能被复制,其实 sync
中很多对象都有这个特性,在我们稍后阅读源码时会有体现。
而第三句话不太好理解,实际上它想表达的是,在使用 sync.Once
的 Do
方法执行 f
函数后,f
的结果会对所有调用 once.Do(f)
的其他 goroutine 可见。这种“先行发生”(synchronizes before)的保证意味着,f
的执行结果会在所有调用 once.Do(f)
的 goroutine 中同步,因此所有 goroutine 都能获得一致的结果。
具体来说:
这样,sync.Once
可以在多 goroutine 场景中安全地执行初始化等需要确保一次性操作的函数,而无需担心数据不一致的问题。
此外我们还需要注意一点,once.Do(f)
接收的函数 f
是没有返回值,所以所说 f
函数的执行的效果是指它执行的副作用。
如下示例就是利用 f
函数执行的副作用来修改变量 i
的值:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var once sync.Once
var i = 10
onceBody := func() {
i *= 2
}
done := make(chan bool)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
once.Do(onceBody)
done <- true
}()
}
for i := 0; i < 10; i++ {
<-done
}
fmt.Println("i", i)
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run once/main.go
i 20
复制代码
f
函数对变量 i
的值影响仅有一次。
源码解读
接下来我们再来看下 sync.Onec
源码,学习下它是如何实现的:
https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/once.go
// Copyright 2009 The Go Authors. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style
// license that can be found in the LICENSE file.
package sync
import (
"sync/atomic"
)
// Once is an object that will perform exactly one action.
//
// A Once must not be copied after first use.
//
// In the terminology of [the Go memory model],
// the return from f “synchronizes before”
// the return from any call of once.Do(f).
//
// [the Go memory model]: https://go.dev/ref/mem
type Once struct {
// done indicates whether the action has been performed.
// It is first in the struct because it is used in the hot path.
// The hot path is inlined at every call site.
// Placing done first allows more compact instructions on some architectures (amd64/386),
// and fewer instructions (to calculate offset) on other architectures.
done atomic.Uint32
m Mutex
}
// Do calls the function f if and only if Do is being called for the
// first time for this instance of [Once]. In other words, given
//
// var once Once
//
// if once.Do(f) is called multiple times, only the first call will invoke f,
// even if f has a different value in each invocation. A new instance of
// Once is required for each function to execute.
//
// Do is intended for initialization that must be run exactly once. Since f
// is niladic, it may be necessary to use a function literal to capture the
// arguments to a function to be invoked by Do:
//
// config.once.Do(func() { config.init(filename) })
//
// Because no call to Do returns until the one call to f returns, if f causes
// Do to be called, it will deadlock.
//
// If f panics, Do considers it to have returned; future calls of Do return
// without calling f.
func (o *Once) Do(f func()) {
// Note: Here is an incorrect implementation of Do:
//
// if o.done.CompareAndSwap(0, 1) {
// f()
// }
//
// Do guarantees that when it returns, f has finished.
// This implementation would not implement that guarantee:
// given two simultaneous calls, the winner of the cas would
// call f, and the second would return immediately, without
// waiting for the first's call to f to complete.
// This is why the slow path falls back to a mutex, and why
// the o.done.Store must be delayed until after f returns.
if o.done.Load() == 0 {
// Outlined slow-path to allow inlining of the fast-path.
o.doSlow(f)
}
}
func (o *Once) doSlow(f func()) {
o.m.Lock()
defer o.m.Unlock()
if o.done.Load() == 0 {
defer o.done.Store(1)
f()
}
}
复制代码
嗯,你没看错 sync.Onec
的源码竟然如此简单,算上全部的注释和空行,也才仅有 78 行代码,而注释占了一大半行数。
首先来看 Once
结构体的定义:
type Once struct {
// done 指示操作是否已执行。
// 它在结构体中位于首位(即第一个字段),因为它用于 hot path。
// hot path 在每个调用点都进行了内联。
// 将 done 放在首位在某些架构(如 amd64 和 386)上允许生成更紧凑的指令,
// 而在其他架构上减少了指令数量(用于计算偏移量)。
done atomic.Uint32
m Mutex
}
复制代码
Once
结构体有两个属性,done
属性上的注释告诉我们它是有意被放在结构体第一个字段的,在某些架构能够减少 CPU 执行的指令数,以优化性能,作为 hot path
。
关于为什么放在结构体第一个字段就能优化性能,简单一句话来解释就是,第一个字段与结构体本身的指针地址是相同的,访问 Once
结构体无需指针偏移操作,就可以直接操作 done
属性。hot path
更多解释的细节,我在另一篇文章《Go 语言中的结构体内存对齐你了解吗?》中有所讲解,你可以跳转过去查看。
另外 done
属性是 atomic.Uint32
类型,我们顺便来看下 atomic.Uint32
是如何定义的:
// A Uint32 is an atomic uint32. The zero value is zero.
type Uint32 struct {
_ noCopy
v uint32
}
// noCopy may be added to structs which must not be copied
// after the first use.
//
// See https://golang.org/issues/8005#issuecomment-190753527
// for details.
//
// Note that it must not be embedded, due to the Lock and Unlock methods.
type noCopy struct{}
// Lock is a no-op used by -copylocks checker from `go vet`.
func (*noCopy) Lock() {}
func (*noCopy) Unlock() {}
复制代码
这里有一个特殊字段 _ noCopy
,标识这个结构体不可复制,所以这也就是为什么前文中提到 Once 对象不能被复制的原因了。
使用 noCopy
字段来标识结构体不可复制,是 Go 语言中的惯用法,我在另一篇文章《Go 中空结构体惯用法,我帮你总结全了!》中有讲解。
Once
结构体的 n
属性没什么好说的,就是一个互斥锁 Mutex
。
接下来看 Do
方法的实现:
func (o *Once) Do(f func()) {
// 注意:以下是一个错误的 Do 实现:
//
// if o.done.CompareAndSwap(0, 1) {
// f()
// }
//
// Do 保证当它返回时,f 已完成。
// 上述实现不满足该保证:
// 给定有两个同时调用的情况,谁取得了 CompareAndSwap 就会执行 f,
// 而第二个调用会立即返回,而不会等待第一个调用的 f 完成。
// 这就是为什么慢路径需要退回到使用互斥锁 Mutex,
// 并且为什么 o.done.Store 必须延迟到 f 返回之后。
if o.done.Load() == 0 {
// 慢路径(slow-path)分离,以允许对快路径(fast-path)进行内联。
o.doSlow(f)
}
}
func (o *Once) doSlow(f func()) {
o.m.Lock()
defer o.m.Unlock()
if o.done.Load() == 0 {
defer o.done.Store(1)
f()
}
}
复制代码
可以看到,Do
方法内部还通过注释贴心的解释了为什么不使用 o.done.CompareAndSwap(0, 1)
的实现,而是使用 o.done.Load()
+ Mutex
的实现。
Do
方法处理两种 case
,先是 if o.done.Load() == 0
的判断,这是一个 fast-path
,如果成立,则调用 o.doSlow(f)
进入 slow-path
,否则 fast-path
执行结束直接返回了。
这里简单解释下 fast-path
和 slow-path
:
所以说,Do
方法绝大多数情况下都会通过 fast-path
直接返回,只有第一次调用才会进入 o.doSlow(f)
逻辑。
在 doSlow
方法内部,先加锁,然后再一次检查了 if o.done.Load() == 0
。很明显这是一个 Double-Check Locking
,保证极端情况下的并发安全。我在《Go 常见设计模式之单例模式》中有讲解如何使用 Double-Check Locking
来实现单例模式,感兴趣的读者可以跳转过去查看。
现在,sync.Once
的源码就都解读完成了。
当然,细心的读者可能注意到,注释中其实写了为什么要将 slow-path
分离出来,单独定义一个函数,目的是为了对 fast-path
进行内联优化。
将 slow-path
逻辑放在单独的 doSlow
函数中可以使 Do
方法的快路径更简洁,这样还有助于 Go 编译器对 fast-path
进行内联优化(即直接嵌入到调用处),从而减少函数调用的开销,提高性能。
我们可以来验证一下内联是否生效,示例代码如下:
package once
import "sync"
func main() {
var once sync.Once
once.Do(func() {
println("Only once")
})
}
复制代码
执行 go build
时传入 -gcflags='-m'
构建参数可以查看内联情况:
$ go build -gcflags='-m' inlining/once/main.go
# command-line-arguments
inlining/once/main.go:7:10: can inline main.func1
inlining/once/main.go:7:9: inlining call to sync.(*Once).Do
inlining/once/main.go:7:9: inlining call to atomic.(*Uint32).Load
inlining/once/main.go:6:6: moved to heap: once
inlining/once/main.go:7:10: func literal does not escape
复制代码
打印日志中出现 inlining
关键字表示 main
中调用 sync.Once.Do
方法时确实存在内联优化。
作为对比,我们再来实现一个没有将 slow-path
分离出来的 Once
版本:
package sync
import (
"sync"
"sync/atomic"
)
type Once struct {
done atomic.Uint32
m sync.Mutex
}
func (o *Once) Do(f func()) {
if o.done.Load() == 0 {
o.m.Lock()
defer o.m.Unlock()
if o.done.Load() == 0 {
defer o.done.Store(1)
f()
}
}
}
复制代码
使用示例如下:
package once
import "github.com/jianghushinian/blog-go-example/sync/once/inlining/myonce/sync"
func main() {
var once sync.Once
once.Do(func() {
println("Only once")
})
}
复制代码
执行 go build
查看内联情况:
$ go build -gcflags='-m' inlining/myonce/main.go
# command-line-arguments
inlining/myonce/main.go:5:6: can inline main
inlining/myonce/main.go:7:10: can inline main.func1
inlining/myonce/main.go:6:6: moved to heap: once
inlining/myonce/main.go:7:10: func literal does not escape
复制代码
这一次编译器确实没有进行内联优化,可见 doSlow
函数的封装还是起了作用的。
sync.Once
就这么多功能,不过在 Go 1.21 中 Go 官方又增加了三个 sync.Once
相关函数:OnceFunc
、OnceValue
和 OnceValues
,来增强 sync.Once
功能,接下来我们就依次介绍下。
sync.OnceFunc
源码解读
首先我们来看一下 sync.OnceFunc
源码实现:
https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L11
// OnceFunc returns a function that invokes f only once. The returned function
// may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceFunc(f func()) func() {
var (
once Once
valid bool
p any
)
// Construct the inner closure just once to reduce costs on the fast path.
g := func() {
defer func() {
p = recover()
if !valid {
// Re-panic immediately so on the first call the user gets a
// complete stack trace into f.
panic(p)
}
}()
f()
f = nil // Do not keep f alive after invoking it.
valid = true // Set only if f does not panic.
}
return func() {
once.Do(g)
if !valid {
panic(p)
}
}
}
复制代码
根据 OnceFunc
上方的代码注释可知:
可以发现,其实 OnceFunc
函数就是对 once.Do
的封装,不过显然它考虑了更多情况,使用 defer
+ recover
对 panic
进行捕获。用变量 p
暂存了 panic
信息,并且当多次调用 OnceFunc
返回函数时,都会重新 panic
。
NOTE:
如果你不熟悉 defer
、panic
和 recover
,我在《Go 错误处理指北:Defer、Panic、Recover 三剑客》一文中对这三者进行了详细讲解,供你参考。
使用示例
sync.OnceFunc
使用示例如下:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
onceBody := sync.OnceFunc(func() {
fmt.Println("Only once")
})
done := make(chan bool)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
onceBody()
done <- true
}()
}
for i := 0; i < 10; i++ {
<-done
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run oncefunc/main.go
Only once
复制代码
如果发生 panic
会怎样呢,我们可以尝试一下:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
onceBody := sync.OnceFunc(func() {
panic("Only once")
})
for i := 0; i < 5; i++ {
func() {
defer func() {
r := recover()
fmt.Println("recover", r)
}()
onceBody()
}()
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run oncefunc/panic/main.go
recover Only once
recover Only once
recover Only once
recover Only once
recover Only once
复制代码
作为对比,如果 sync.Once.Do
遇到 panic
又会怎样呢?示例如下:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var once sync.Once
onceBody := func() {
panic("Only once")
}
for i := 0; i < 5; i++ {
func() {
defer func() {
r := recover()
fmt.Println("recover", r)
}()
once.Do(onceBody)
}()
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run once/panic/main.go
recover Only once
recover <nil>
recover <nil>
recover <nil>
recover <nil>
复制代码
由此可见,可以认为 sync.OnceFunc
是比 sync.Once.Do
更好用的接口,它帮我们考虑了函数 f
发生 panic
情况,所以可以考虑优先使用这个实现。
sync.OnceValue
源码解读
我们再来看下 sync.OnceValue
源码实现:
https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L43
// OnceValue returns a function that invokes f only once and returns the value
// returned by f. The returned function may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceValue[T any](f func() T) func() T {
var (
once Once
valid bool
p any
result T
)
g := func() {
defer func() {
p = recover()
if !valid {
panic(p)
}
}()
result = f()
f = nil
valid = true
}
return func() T {
once.Do(g)
if !valid {
panic(p)
}
return result
}
}
复制代码
可以看到,与 OnceFunc
不同的是 OnceValue
使用了泛型,OnceValue
接收的函数 f
是带有返回值的,并且它返回的函数也带有返回值。
也就是说,相较于 OnceFunc
,OnceValue
相当于是进化版,它接收的 f
函数签名不同,可以支持返回一个值,而其他的地方与 OnceFunc
实现并无区别,内部也只是多了一个使用 result T
记录返回值的逻辑。
使用示例
sync.OnceValue
使用示例如下:
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
once := sync.OnceValue(func() int {
sum := 0
for i := 0; i < 1000; i++ {
sum += i
}
fmt.Println("Computed once:", sum)
return sum
})
done := make(chan bool)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
const want = 499500
got := once()
if got != want {
fmt.Println("want", want, "got", got)
}
done <- true
}()
}
for i := 0; i < 10; i++ {
<-done
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run oncevalue/main.go
Computed once: 499500
复制代码
sync.OnceValues
源码解读
最后,我们再来看下 sync.OnceValues
源码实现:
https://github.com/golang/go/blob/go1.23.0/src/sync/oncefunc.go#L74
// OnceValues returns a function that invokes f only once and returns the values
// returned by f. The returned function may be called concurrently.
//
// If f panics, the returned function will panic with the same value on every call.
func OnceValues[T1, T2 any](f func() (T1, T2)) func() (T1, T2) {
var (
once Once
valid bool
p any
r1 T1
r2 T2
)
g := func() {
defer func() {
p = recover()
if !valid {
panic(p)
}
}()
r1, r2 = f()
f = nil
valid = true
}
return func() (T1, T2) {
once.Do(g)
if !valid {
panic(p)
}
return r1, r2
}
}
复制代码
OnceValues
与 OnceValue
的唯一区别就是它支持返回两个值,f
函数签名也变了 f func() (T1, T2)
,所以我们可以想到最常见的使用方式,函数 f
返回一个 value
和一个 error
,这也是 Go 函数惯用法。
使用示例
sync.OnceValues
使用示例如下:
package main
import (
"fmt"
"os"
"sync"
)
func main() {
once := sync.OnceValues(func() ([]byte, error) {
fmt.Println("Reading file once")
return os.ReadFile("oncevalues/example_test.go")
})
done := make(chan bool)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
data, err := once()
if err != nil {
fmt.Println("error:", err)
}
_ = data // Ignore the data for this example
done <- true
}()
}
for i := 0; i < 10; i++ {
<-done
}
}
复制代码
执行示例代码,得到如下输出:
$ go run oncevalues/main.go
Reading file once
复制代码
现在,sync.Once
以及它的三个相关函数我们就都讲解完成了。
总结
sync.Once
是一个非常实用的同步工具,它以简洁高效的方式,确保操作只执行一次,避免了重复初始化的开销。在多 goroutine 调用场景下,它能提供可靠的并发控制,是 Go 并发编程中不可或缺的工具。常用于单例模式、懒加载、并发安全的初始化等场景。
Go 1.21 还发布了几个 sync.Once
相关的函数 sync.OnceFunc
、sync.OnceValue
和 sync.OnceValues
,来增强 sync.Once
功能。
我们可以发现一些规律:
sync.Once.Do
是 sync.Once
暴露的唯一接口,对于参数 f
函数确保仅执行一次。
而 sync.OnceFunc
、sync.OnceValue
和 sync.OnceValues
,三者是对 sync.Once
的封装,都能实现 once
的功能,并且这三者对 f
函数产生 panic
的情况进行了处理,保证多次调用它们都能产生同样的 panic
。
sync.Once.Do
和 sync.OnceFunc
接收的参数 f
函数,无参数无返回值。
sync.OnceValue
接收的参数 f
函数有 1 个返回值。
sync.OnceValues
接收的参数 f
函数有 2 个返回值。
本文示例源码我都放在了 GitHub 中,欢迎点击查看。
希望此文能对你有所启发。
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