面试题：Go条件变量同步机制的底层原理及扩展

Go语言条件变量同步机制底层实现原理

runtime层管理等待队列
- 在Go语言中，条件变量（sync.Cond）底层依赖于sync.Mutex进行同步。sync.Cond结构体包含一个指向sync.Mutex的指针以及一个runtime.notifyList。
- runtime.notifylist用于管理等待队列。它是一个链表结构，每个节点代表一个等待的goroutine。
- 当一个goroutine调用Cond.Wait方法时，它会先释放关联的sync.Mutex（以避免死锁），然后将自己加入到runtime.notifylist的等待队列中，并进入睡眠状态。
唤醒操作具体流程
- 当调用Cond.Signal方法时，runtime.notifylist会从等待队列中唤醒一个等待的goroutine。具体实现是从链表头部移除一个节点（代表一个等待的goroutine），并将其标记为可运行状态。该goroutine被唤醒后，会重新获取关联的sync.Mutex，然后继续执行Wait方法之后的代码。
- Cond.Broadcast方法会唤醒等待队列中的所有goroutine。它会遍历runtime.notifylist的链表，将所有节点代表的goroutine都标记为可运行状态。这些被唤醒的goroutine会依次竞争获取关联的sync.Mutex，获取到锁的goroutine继续执行Wait方法之后的代码。

基于条件变量机制扩展支持优先级唤醒的同步原语设计

数据结构
- 优先级队列：我们需要一个优先级队列来管理等待的goroutine。可以使用堆（如二叉堆）这种数据结构来实现优先级队列。在Go语言中，可以定义一个结构体数组来表示堆，同时实现堆的相关操作方法，如插入、删除和调整堆。
- 扩展的条件变量结构体：定义一个新的结构体，例如PriorityCond，它除了包含sync.Mutex和runtime.notifylist外，还应包含一个优先级队列。
```
type PriorityCond struct {
    mu     sync.Mutex
    notify runtime.notifylist
    pq     PriorityQueue
}
```
- 优先级队列节点：定义优先级队列的节点结构，该节点需要关联对应的goroutine以及其优先级。
```
type PriorityQueueNode struct {
    goroutineID uint64
    priority    int
}
```
- 优先级队列类型：定义优先级队列类型，并实现堆的相关操作方法。
```
type PriorityQueue []PriorityQueueNode
```

方法实现

Wait方法：与sync.Cond.Wait类似，先释放锁，然后将当前goroutine及其优先级封装成节点插入到优先级队列中，并进入睡眠状态。

func (pc *PriorityCond) Wait(priority int) {
    pc.mu.Unlock()
    goroutineID := getGoroutineID() // 假设存在获取当前goroutine ID的方法
    node := PriorityQueueNode{goroutineID, priority}
    pc.pq.Insert(node)
    pc.notify.Wait()
    pc.mu.Lock()
}

PrioritySignal方法：从优先级队列中取出优先级最高的节点，唤醒对应的goroutine。

func (pc *PriorityCond) PrioritySignal() {
    pc.mu.Lock()
    if len(pc.pq) > 0 {
        node := pc.pq.Remove()
        // 根据node.goroutineID找到对应的goroutine并唤醒
        // 这里假设存在根据goroutineID唤醒goroutine的方法
        wakeupGoroutine(node.goroutineID)
    }
    pc.mu.Unlock()
}

PriorityBroadcast方法：遍历优先级队列，唤醒所有等待的goroutine。

func (pc *PriorityCond) PriorityBroadcast() {
    pc.mu.Lock()
    for len(pc.pq) > 0 {
        node := pc.pq.Remove()
        // 根据node.goroutineID找到对应的goroutine并唤醒
        // 这里假设存在根据goroutineID唤醒goroutine的方法
        wakeupGoroutine(node.goroutineID)
    }
    pc.mu.Unlock()
}

堆操作方法：实现插入、删除等堆操作方法。

func (pq *PriorityQueue) Insert(node PriorityQueueNode) {
    *pq = append(*pq, node)
    pq.up(len(*pq) - 1)
}
func (pq *PriorityQueue) Remove() PriorityQueueNode {
    n := len(*pq) - 1
    pq.swap(0, n)
    node := (*pq)[n]
    *pq = (*pq)[0 : n]
    pq.down(0)
    return node
}
func (pq *PriorityQueue) up(j int) {
    for {
        i := (j - 1) / 2 // parent
        if i == j || (*pq)[i].priority <= (*pq)[j].priority {
            break
        }
        pq.swap(i, j)
        j = i
    }
}
func (pq *PriorityQueue) down(i int) {
    n := len(*pq)
    for {
        left := 2*i + 1
        if left >= n {
            break
        }
        right := left + 1
        if right < n && (*pq)[right].priority < (*pq)[left].priority {
            left = right
        }
        if (*pq)[left].priority >= (*pq)[i].priority {
            break
        }
        pq.swap(i, left)
        i = left
    }
}
func (pq *PriorityQueue) swap(i, j int) {
    (*pq)[i], (*pq)[j] = (*pq)[j], (*pq)[i]
}

通过上述设计，可以基于Go语言现有的条件变量机制扩展出支持优先级唤醒的同步原语。需要注意的是，实际实现中获取goroutine ID以及唤醒goroutine等操作需要与Go语言运行时更深入的交互，这里只是提供一个概念性的设计方案。

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面试题答案

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基于条件变量机制扩展支持优先级唤醒的同步原语设计