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文章标题：Go中的sync.WaitGroup如何实现并发控制？
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在Go语言中，sync.WaitGroup 是一个非常实用的并发控制工具，它主要用于等待一组协程（goroutine）完成。尽管它本身不直接提供对并发数量的限制（如限制同时运行的协程数），但它通过巧妙地管理协程的等待与通知机制，间接地帮助我们在并发编程中实现流程的精确控制。下面，我们将深入探讨 sync.WaitGroup 的工作原理，以及如何利用它结合其他并发控制手段（如通道、信号量等）来实现更复杂的并发控制场景。

sync.WaitGroup 的基本原理

sync.WaitGroup 提供了三个主要的方法：Add(delta int)、Done() 和 Wait()。

  • Add(delta int): 增加或减少等待组中的计数器值。如果delta为正数，表示等待组将等待额外的delta个协程完成；如果delta为负数，则必须保证操作后的计数器值不为负，否则会引发panic。这个方法通常用于在启动新的协程前增加计数器。

  • Done(): 等同于 Add(-1)，表示当前协程已经完成了其任务，可以将等待组中的计数器减一。这通常放在协程的末尾。

  • Wait(): 阻塞调用它的协程，直到等待组中的计数器归零。这通常用于等待一组协程全部完成后继续执行后续逻辑。

使用 WaitGroup 控制并发流程

基本用法

sync.WaitGroup 最直观的应用场景是等待多个协程完成某项任务。下面是一个简单的例子，展示了如何使用 WaitGroup 来等待一组协程执行完毕：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done() // 确保协程结束时调用Done()
    fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)

    time.Sleep(time.Second) // 模拟耗时操作
    fmt.Printf("Worker %d done\n", id)
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup

    for i := 1; i <= 5; i++ {
        wg.Add(1) // 为每个新协程增加计数器
        go worker(i, &wg)
    }

    wg.Wait() // 等待所有协程完成
    fmt.Println("All workers finished")
}

在这个例子中，main 函数启动了5个协程，每个协程执行一个模拟的耗时任务。通过 WaitGroup，main 函数能够等待所有协程完成后再继续执行。

结合通道控制并发数量

虽然 sync.WaitGroup 本身不直接限制同时运行的协程数，但我们可以通过结合使用通道（channel）来实现这一需求。通道在Go中是一个强大的并发原语，它允许在不同的协程之间安全地传递数据。

以下是一个例子，展示了如何使用通道和 sync.WaitGroup 来限制同时运行的协程数量：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func worker(id int, done chan bool, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()
    fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)

    time.Sleep(time.Second) // 模拟耗时操作
    fmt.Printf("Worker %d done\n", id)

    done <- true // 通知任务完成
}

func main() {
    const numWorkers = 5
    const maxWorkers = 3

    var wg sync.WaitGroup
    done := make(chan bool, maxWorkers) // 缓冲通道，大小为最大并发数

    for i := 1; i <= numWorkers; i++ {
        wg.Add(1)
        // 等待直到有空间在done通道中
        <-done

        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            defer func() { done <- true }() // 确保释放通道空间
            worker(id, done, &wg)
        }(i)
    }

    wg.Wait()
    close(done) // 所有工作完成后关闭通道
    fmt.Println("All workers finished")
}

// 注意：这里的实现为了简化示例而进行了调整，
// 实际使用中可能需要更复杂的逻辑来处理通道和WaitGroup的交互。

在上述代码中，我们创建了一个带有缓冲的通道 done，其大小等于我们想要同时运行的最大协程数（maxWorkers）。在启动新的协程之前，我们从 done 通道接收一个值（如果通道已满，则此操作会阻塞），这实际上限制了可以同时启动的协程数。每个协程结束时，它会向 done 通道发送一个值，从而允许另一个协程开始执行。这种技术称为“信号量”模式，是并发编程中常见的一种同步机制。

深入理解 WaitGroup 的内部机制

虽然 sync.WaitGroup 的API相对简单，但其内部实现却涉及了复杂的同步机制，如互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）。在Go的源码中，sync.WaitGroup 使用了一个互斥锁来保护计数器的修改，并使用条件变量来阻塞和唤醒等待的协程。

当调用 Wait() 方法时，如果计数器不为零，当前协程将被挂起，并等待条件变量上的信号。每当 Done() 被调用且计数器减至零时，就会向等待的条件变量发送一个信号，唤醒所有等待的协程。

总结

sync.WaitGroup 是Go语言并发编程中的一个重要工具，它提供了等待一组协程完成的功能。虽然它不直接限制同时运行的协程数，但通过与其他并发控制手段（如通道）结合使用，我们可以实现复杂的并发控制逻辑。了解 sync.WaitGroup 的工作原理和内部机制，对于编写高效、可靠的并发程序至关重要。在实际开发中，我们可以根据具体需求，灵活运用 sync.WaitGroup 和其他并发原语，以实现精细的并发控制和高效的资源利用。

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