【Go】我与sync.Once的爱恨纠缠

官方描述 Once is an object that will perform exactly one action, 即 Once 是一个对象,它提供了保证某个动作只被执行一次功能，最典型的场景就是单例模式，Once 可用于任何符合 “exactly once” 语义的场景。

sync.Once 的用法

在多数情况下，sync.Once 被用于控制变量的初始化，这个变量的读写通常遵循单例模式，满足这三个条件：

  • 当且仅当第一次读某个变量时，进行初始化（写操作）
  • 变量被初始化过程中，所有读都被阻塞（读操作；当变量初始化完成后，读操作继续进行）
  • 变量仅初始化一次，初始化完成后驻留在内存里

在标准库中不乏有大量 sync.Once 的使用案例，在 strings 包中 replace.go 里实现字符串批量替换功能时，需要预编译生成替换规则，即采用不同的替换算法并创建相关算法实例，因 strings.Replacer 实现是线程安全且支持规则复用，在第一次解析替换规则并创建对应算法实例后，可以并发的进行字符串替换操作，避免多次解析替换规则浪费资源。

先看一下 strings.Replacer 的结构定义：

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// source: strings/replace.go
type Replacer struct {
	once   sync.Once // guards buildOnce method
	r      replacer
	oldnew []string
}

这里定义了 once sync.Once 用来控制 r replacer 替换算法初始化，当我们使用 strings.NewReplacer 创建 strings.Replacer 时，这里采用惰性算法，并没有在这时进行 build 解析替换规则并创建对应算法实例，而是在执行替换时( Replacer.Replace 和 Replacer.WriteString)进行的, r.once.Do(r.buildOnce) 使用 sync.Once 的 Do 方法保证只有在首次执行时才会执行 buildOnce 方法，而在 buildOnce 中调用 build 解析替换规则并创建对应算法实例，在 buildOnce 中进行赋值。

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// source: strings/replace.go
func NewReplacer(oldnew ...string) *Replacer {
	if len(oldnew)%2 == 1 {
		panic("strings.NewReplacer: odd argument count")
	}
	return &Replacer{oldnew: append([]string(nil), oldnew...)}
}

func (r *Replacer) buildOnce() {
	r.r = r.build()
	r.oldnew = nil
}

func (b *Replacer) build() replacer {
    ....
}

func (r *Replacer) Replace(s string) string {
	r.once.Do(r.buildOnce)
	return r.r.Replace(s)
}

func (r *Replacer) WriteString(w io.Writer, s string) (n int, err error) {
	r.once.Do(r.buildOnce)
	return r.r.WriteString(w, s)
}

简单来说，once.Do 中的函数只会执行一次，并保证 once.Do 返回时，传入 Do 的函数已经执行完成。多个 goroutine 同时执行 once.Do 的时候，可以保证抢占到 once.Do 执行权的 goroutine 执行完 once.Do 后，其他 goroutine 才能得到返回。

once.Do 接收一个函数作为参数，该函数不接受任何参数，不返回任何参数。具体做什么由使用方决定，错误处理也由使用方控制，对函数初始化的结果也由使用方进行保存。

这给出了一种错误处理的例子 exec.closeOnce，exec.closeOnce 保证了重复关闭文件，永远只执行一次，并且总是返回首次关闭产生的错误信息：

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// source: os/exec/exec.go
type closeOnce struct {
	*os.File

	once sync.Once
	err  error
}

func (c *closeOnce) Close() error {
	c.once.Do(c.close)
	return c.err
}

func (c *closeOnce) close() {
	c.err = c.File.Close()
}

对 sync.Once 的爱与恨

Once 的实现非常的灵活、简洁、高效，排除注释部分 Once 仅用 17 行实现，且单次执行时间在 0.3ns 左右。这让我十分敬佩，对它可谓喜爱至极，但因为它的通用性，在使用 Once 时给我带来了一些小小的负担，这也成了我极少的使用它的原因。

Once 只保证调用安全性（即线程安全以及只执行一次动作函数），但是细心的朋友一定发现了我们往往需要配对定义 Once 和业务实例变量，极少使用的情况下（如上述两个例子）看起来并没有什么负担，但是如果我们项目中有大量实例进行管理时（一般是集中管理，便于解决依赖问题），这时就会变得有点丑陋。

一个实际的业务场景，我有一个 http 服务，它有数百个组件实例，我们创建了一个 APP 用来管理所有实例的初始化、依赖关系，从而保证各个组件依赖其接口，相互之间进行解耦，也使得每个组件的配置（初始化参数）、依赖易于管理，不过我们常常对单例实例在 http 服务启动时进行初始化，这样避免使用 Once，且可以在 http 服务启动时暴露外部依赖问题（数据库、其它服务等）。

这个 http 服务需要很多辅助命令，每个命令负责极少的工作，如果我在命令启动时使用 APP 初始化所有组件，这造成了大量的资源浪费。我单独实现一个 Command 依赖管理组件，它大量使用 Once 保证各个组件只在第一次使用时进行初始化，这给我带来了一些困扰，我大量定义 Once 的实例，且它和具体的组件实例没有关联，我在使用时需要非常的小心。

使用过 go-extend/pool 中的 pool.BufferPool 的朋友如果留意其源码的话会发现其中定义了一些 sync.Once 的实例，这相对上诉场景却是相对少的，以下便是 pool.BufferPool 中的部分代码：

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// source: https://github.com/thinkeridea/go-extend/blob/v1.1.2/pool/buffer.go

package pool

import (
	"bytes"
	"sync"
)

var (
	buff64   *sync.Pool
	buff128  *sync.Pool
	buff512  *sync.Pool
	buff1024 *sync.Pool
	buff2048 *sync.Pool
	buff4096 *sync.Pool
	buff8192 *sync.Pool

	buff64One   sync.Once
	buff128One  sync.Once
	buff512One  sync.Once
	buff1024One sync.Once
	buff2048One sync.Once
	buff4096One sync.Once
	buff8192One sync.Once
)

type pool sync.Pool

// BufferPool bytes.Buffer 的 sync.Pool 接口
// 可以直接 Get *bytes.Buffer 并 Reset Buffer
type BufferPool interface {

	// Get 从 Pool 中获取一个 *bytes.Buffer 实例, 该实例已经被 Reset
	Get() *bytes.Buffer
	// Put 把 *bytes.Buffer 放回 Pool 中
	Put(*bytes.Buffer)
}

func newBufferPool(size int) *sync.Pool {
	return &sync.Pool{
		New: func() interface{} {
			return bytes.NewBuffer(make([]byte, size))
		},
	}
}

// GetBuff64 获取一个初始容量为 64 的 *bytes.Buffer Pool
func GetBuff64() BufferPool {
	buff64One.Do(func() {
		buff64 = newBufferPool(64)
	})

	return (*pool)(buff64)
}

上诉代码中定义了 buff64One 到 buff8192One 7个 Once 的实例，且对应的存在 buff64 到 buff8192 的业务实例，我在 GetBuff64 中必须小心使用 Once 实例，避免错误使用导致对应的实例未被初始化，而且上诉的代码看起来还有一些丑陋。

探寻缓和与 sync.Once 的尴尬

鉴于我对 sync.Once 灵活、简洁、高效的喜爱，不能仅仅因为它的“吝啬”（极简的功能）便与之诀别，促使我开启了探寻缓和与 sync.Once 关系之路。

首先我想到的是对 sync.Once 的二次包装，使其可以保存一个数据，这样我就可以只定义 Once 的实例，由 Once 负责存储初始化的结果。exsync.Once 这是我的第一个实验，它的实现非常简洁：

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// source: https://github.com/thinkeridea/go-extend/blob/efa13c9456cb4ce97c16824de2996c84fa285fc3/exsync/once.go
type Once struct {
	once sync.Once
	v    interface{}
}

func (o *Once) Do(f func() interface{}) interface{} {
	o.once.Do(func() {
		o.v = f()
	})

	return o.v
}

它嵌套一个 sync.Once 实例，并覆盖其 Do 函数，使其接收一个 func() interface{} 函数，它要求初始化函数返回其结果，结果保存在 Once.v ，每次调用 Do 它便返回自己保存的结果，这使用起来就变得简单许多，改造之前 exec.closeOnce 例子：

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type closeOnce struct {
	*os.File

	once exsync.Once
}

func (c *closeOnce) Close() error {
	return c.once.Do(c.close).(error)
}

func (c *closeOnce) close() interface{} {
	return c.File.Close()
}

这减少了一个业务层的数据定义，如果包含多个数据，可以使用自定义 struct 或者 []interface{} 进行数据保存， 一个简单打开文件的例子：

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type openOnce struct {
	file exsync.Once
}

func (c *openOnce) Open(name string) (*os.File, error) {
	f := c.file.Do(func() interface{} {
		f, err := os.Open(name)
		return []interface{}{f, err}
	}).([]interface{})

	return f[0].(*os.File), f[1].(error)
}

这看起来使初始化的代码变得复杂了一些，对多返回值的问题暂时没有更好的实现，我会在后续逐渐考虑这类问题的处理方式，单个值时它使我得到一些惊喜和便捷。即使这样我随后发现它相对 sync.Once 的性能大幅度下降，达到10倍之多，起初我认为是 interface 的带来的，我立刻实现了一个 exsync.OncePointer 以期许它可以在性能上给我一个惊喜：

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// source: https://github.com/thinkeridea/go-extend/blob/efa13c9456cb4ce97c16824de2996c84fa285fc3/exsync/once.go
type OncePointer struct {
	once sync.Once
	v    unsafe.Pointer
}

func (o *OncePointer) Do(f func() unsafe.Pointer) unsafe.Pointer {
	o.once.Do(func() {
		o.v = f()
	})

	return o.v
}

使用 unsafe.Pointer 存储实例，让其在编译时确定类型，来提升其性能，使用示例如下：

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type closeOnce struct {
	*os.File

	once exsync.OncePointer
}

func (c *closeOnce) Close() error {
	return *(*error)(c.once.Do(c.close))
}

func (c *closeOnce) close() unsafe.Pointer {
	err := c.File.Close()
	return unsafe.Pointer(&err)
}

尴尬的是这并没有使其性能有极大提升，仅仅只是稍微提升一些，难道我要和 sync.Once 就此诀别，还是凑合过……

转机的到来

我本已放弃优化，即使其性能极大下降，但是它仍然可以在 3ns 内完成任务，这并不会形成瓶颈。但多少内心还是有些不甘，仅仅只是包装使其保存一个值不应该导致性能下降如此严重，究竟是什么导致其性能如此严重下降的，仔细做了分析发现由于 sync.Once 非常的高效，且代码简洁，我嵌套包装使其多了一层调用，且可能导致其无法内联，这对一些性能不高的组件影响极小，但是像 sync.Once 这样高效任何小小的损耗表现都十分明显。

我直接拷贝 sync.Once 中的代码到 exsync.Once 及 exsync.OncePointer 实现中，这让我得到与 sync.Once 接近的性能，exsync.OncePointer 的实现甚至总是好于 sync.Once。

以下是性能测试的结果，其代码位于 exsync/benchmark/once_test.go:

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goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/thinkeridea/go-extend/exsync/benchmark
BenchmarkSyncOnce-8      	1000000000	         0.391 ns/op	       0 B/op	       0 allocs/op
BenchmarkOnce-8          	1000000000	         0.407 ns/op	       0 B/op	       0 allocs/op
BenchmarkOncePointer-8   	1000000000	         0.389 ns/op	       0 B/op	       0 allocs/op
PASS
ok  	github.com/thinkeridea/go-extend/exsync/benchmark	1.438s

得到这个结果后我毫不犹豫、马不停蹄的改变了 pool.BufferPool 中的代码，这使 pool.BufferPool 变得简洁许多：

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package pool

import (
	"bytes"
	"sync"
	"unsafe"

	"github.com/thinkeridea/go-extend/exsync"
)

var (
	buff64   exsync.OncePointer
	buff128  exsync.OncePointer
	buff512  exsync.OncePointer
	buff1024 exsync.OncePointer
	buff2048 exsync.OncePointer
	buff4096 exsync.OncePointer
	buff8192 exsync.OncePointer
)

type bufferPool struct {
	sync.Pool
}

// BufferPool bytes.Buffer 的 sync.Pool 接口
// 可以直接 Get *bytes.Buffer 并 Reset Buffer
type BufferPool interface {

	// Get 从 Pool 中获取一个 *bytes.Buffer 实例, 该实例已经被 Reset
	Get() *bytes.Buffer
	// Put 把 *bytes.Buffer 放回 Pool 中
	Put(*bytes.Buffer)
}

func newBufferPool(size int) unsafe.Pointer {
	return unsafe.Pointer(&bufferPool{
		Pool: sync.Pool{
			New: func() interface{} {
				return bytes.NewBuffer(make([]byte, size))
			},
		},
	})
}

// GetBuff64 获取一个初始容量为 64 的 *bytes.Buffer Pool
func GetBuff64() BufferPool {
	return (*bufferPool)(buff64.Do(func() unsafe.Pointer {
		return newBufferPool(64)
	}))
}

总结

如此对 sync.Once 进行二次封装，使其通用性有所下降，并一定是一个好的方案，我乐于公开它，因为它在大多数时刻可以减少使用者的负担，使得代码变的简练。

后续的思考：

  • Once 永远只能执行一次，是否有安全快捷的方法可以使其重置。
  • 出现错误时，能否提供一种重试机制，否者程序会一直无法得到正确的结果，比如建立数据库连接，某个时刻数据库出现故障，而恰恰这时首次执行了 Do 函数。
  • 对多个值的调用方式上是否能提供简单的调用机制。

解决以上这些问题，可以使 sync.Once 应用在更多的场景中，但势必导致其性能有所下降，这需要一些实验和折中处理。

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