sync.Once 的前世今生-技术圈

大家好，我是好久不见的薯条，上篇文章编写一个配置化的Kafka Proxy，让你分钟级别接入Kafka 的阅读量很惨淡，搞得我那段时间有点丧，可能大家还是更喜欢Golang方面的文章，也可能是那篇写的有点搓... 这几天北京降温又下雨，我久违的感冒了，秋高气爽，读者朋友们要注意多加衣服啊，感冒还是很难受的。

这篇once的文章前前后后看了好多参考，改了好几遍，最终出来这么个鸟样子，个人感觉并发编程这块水很深，因为这块不仅涉及Golang源码，还涉及到汇编、操作系统、甚至是硬件的知识，真是学无止境，有兴趣的朋友可以查一下Read Acquire、Write Release和Golang官方的Memory Model一文。

以下是正文：

type Resource struct {
 addr string
}

var Res *Resource
var once sync.Once

func GetResourceOnce(add string) *Resource {

 once.Do(func() {
  Res = &Resource{addr: add}
 })

 return Res
}

func main() {
 fmt.Println(GetResource("beijing"))
}
// output：{beijing}

例子：

var Resp *Resource
var mut sync.Mutex

func GetResourceMutex(add string) *Resource {
 mut.Lock()
 defer mut.Unlock()

 if Resp != nil {
  return Resp
 }

 Resp = &Resource{addr: add}

 return Resp
}

1. 为啥源码引入Mutex而不是CAS操作
3. 为啥要有fast path, slow path
4. 加锁之后为啥要有done==0，为啥有double check，为啥这里不是原子读
4.store为啥要加defer
5.为啥是atomic.store，不是直接赋值1

Once开始的地方

type Once struct {
 m    Mutex
 done bool
}

func (o *Once) Do(f func()) {
 o.m.Lock()
 defer o.m.Unlock()
 if !o.done {
  o.done = true
  f()
 }
}

在这段2010年8月15日提交的代码中，作者借助Mutex实现Once语义，执行的时候先加一把互斥锁，保证只有一个协程可以操作done变量，等f函数执行完解锁。

这样的代码相当于mvp版本，管用，但是略显粗糙，一个最显而易见的缺点：每次都要执行Mutex加锁操作，对于Once这种语义有必要吗，是否可以先判断一下done的value是否为true，然后再进行加锁操作呢？

第一次进化

于是Once开始了第一次进化，这次优化改进了上面提到的问题：若Once已经初始化，那么Do内部将不会执行抢锁操作。做这份代码改动的哥们经过测试发现这样改在不同核的benchmark中有92%-99%的耗时提升。

type Once struct {
 m    Mutex
 done int32
}

func (o *Once) Do(f func()) {
 if atomic.AddInt32(&o.done, 0) == 1 {
  return
 }
 // Slow-path.
 o.m.Lock()
 defer o.m.Unlock()
 if o.done == 0 {
  f()
  atomic.CompareAndSwapInt32(&o.done, 0, 1)
 }
}

在这段代码中，在slow-path加锁后，要继续判断done值是否为0，确认done为0后才要执行f()函数，这是因为在多协程环境下仅仅通过一次atomic.AddInt32判断并不能保证原子性，比如俩协程g1、g2，g2在g1刚刚执行完atomic.CompareAndSwapInt32(&o.done, 0, 1)进入了slow path，如果不进行double check，那g2又会执行一次f()。

在这次改动中，作者用一个int32变量done表示once的对象是否已执行完，有两个地方使用到了atomic包里的方法对o.done进行判断，分别是，用AddInt32函数根据o.done的值是否为1判断once是否已执行过，若执行过直接返回；f()函数执行完后，对o.done通过cas操作进行赋值1。

这两处地方的存在有一定的争议性，在源码cr的过程中就被问到atomic.CompareAndSwapInt32(&o.done, 0, 1)可否被o.done == 1替换，答案是不可以。

现在的CPU一般拥有多个核心，而CPU的处理速度快于从内存读取变量的速度，为了弥补这俩速度的差异，现在CPU每个核心都有自己的L1、L2、L3级高速缓存，CPU可以直接从高速缓存中读取数据，但是这样一来内存中的一份数据就在缓存中有多份副本，在同一时间下这些副本中的可能会不一样，为了保持缓存一致性，Intel CPU使用了MESI协议。

AddInt32方法和CompareAndSwapInt32方法(均为amd64平台 runtime/internal/atomic/atomic_amd64.s)底层都是在汇编层面调用了LOCK指令，LOCK指令通过总线锁或MESI协议保证原子性（具体措施与CPU的版本有关），提供了强一致性的缓存读写保证，保证LOCK之后的指令在带LOCK前缀的指令执行之后才执行，从而保证读到最新的o.done值。

第二次进化

至此Once的代码已经成型了，后面来列举一些小优化的集合：

小优化一

这个小优化把done的类型由int32替换为uint32,用CompareAndSwapUint32替换了CompareAndSwapInt32, 用LoadUint32替换了AddInt32方法，LoadUint32底层并没有LOCK指令用于加锁，我觉得能这么写的主要原因是进入slow path之后会继续用Mutex加锁并判断o.done的值，且后面的CAS操作是加锁的，所以可以这么改。这次优化经过benchmark测试性能在不同核心上有45%-94%的提升。

小优化二

这次小优化用StoreUint32替换了CompareAndSwapUint32操作，CAS操作在这里确实有点多余，因为这行代码最主要的功能是原子性的done = 1。

Store命令的底层是，其中关键的指令是XCHG，有的同学可能要问了，这源码里没有LOCK指令啊，怎么保证happen before呢，Intel手册有这样的描述: The LOCK prefix is automatically assumed for XCHG instruction.，这个指令默认带LOCK前缀，能保证Happen Before语义。

TEXT runtime∕internal∕atomic·Store(SB), NOSPLIT, $0-12
 MOVQ ptr+0(FP), BX
 MOVL val+8(FP), AX
 XCHGL AX, 0(BX)
 RET

小优化三

这次的优化在StoreUint32前增加defer前缀，增加defer是保证即使f()在执行过程中出现panic，Once仍然保证f()只执行一次，这样符合严格的Once语义。

除了预防panic，defer还能解决指令重排的问题：现在CPU为了执行效率，源码在真正执行时的顺序和代码的顺序可能并不一样，比如这段代码中a不一定打印"hello, world"，也可能打印空字符串。

var a string
var done bool

func setup() {
 a = "hello, world"
 done = true
}

func main() {
 go setup()
 for !done {
 }
 print(a)
}

而增加了defer前缀，能保证，即使出现指令重排，done变量也能在f()函数执行完后才进行store操作。

小优化四

这次优化主要是用函数区分开了fast path和slow path，对fast path做了内联优化。这样进一步降低了使用Once的开销，因为fast path会被内联到使用once的函数调用中，每次调用的时候如果只走到fast path那么连函数调用的开销都省去了，这次优化在不同核的环境下又有54%-67%的提升。

type St struct {
 ponce *sync.Once
}

func (st *St) Reset() {
 st.ponce = new(sync.Once)
}

func main() {
 s := &St{}

 f1 := func() {
  fmt.Println("hello, world")
 }
 s.Reset()
 s.ponce.Do(f1)
 s.Reset()
 s.ponce.Do(f1)
}