面试题：Go中sync.Once延迟初始化的基本原理

Question

请阐述Go语言中`sync.Once`是如何实现延迟初始化的？在一个多协程环境下，`sync.Once`怎样保证初始化操作只执行一次，请结合其内部结构和方法进行说明。

Answer 1

1. sync.Once内部结构：
   • sync.Once结构体定义如下：

   type Once struct {
       done uint32
       m    Mutex
   }
   

   • done字段是一个uint32类型，用于标记初始化是否已经完成。当done为0时，表示尚未初始化；非0时，表示已经初始化。
   • m字段是一个互斥锁，用于在多协程环境下保护对done的读写操作以及初始化函数的执行。
2. Do方法实现延迟初始化和保证只执行一次：
   • sync.Once的核心方法是Do，其定义为：

   func (o *Once) Do(f func()) {
       if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
           o.doSlow(f)
       }
   }
   

   • 首先，通过atomic.LoadUint32(&o.done)原子操作读取done的值。如果done已经非0，说明初始化已经完成，直接返回，不再执行初始化函数f。
   • 如果done为0，调用doSlow方法：

   func (o *Once) doSlow(f func()) {
       o.m.Lock()
       defer o.m.Unlock()
       if o.done == 0 {
           defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
           f()
       }
   }
   

   • 在doSlow方法中，先获取互斥锁o.m，这样可以确保同一时间只有一个协程能够进入初始化逻辑。
   • 再次检查o.done是否为0，这是因为在获取锁之前，可能其他协程已经完成了初始化。
   • 如果o.done仍为0，使用defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)在初始化函数f执行完毕后，将done设置为1，表示初始化完成。然后执行初始化函数f。

总结来说，sync.Once通过done字段标记初始化状态，利用原子操作和互斥锁，在多协程环境下保证初始化操作只执行一次，实现延迟初始化。