面试题：Go语言sync.Once底层实现细节及扩展应用

sync.Once底层实现机制

原子操作：
- sync.Once 主要依赖于 atomic 包的原子操作来保证并发安全。它使用了 atomic.LoadUint32 和 atomic.CompareAndSwapUint32 等操作。
- 在 sync.Once 结构体中，有一个 done 字段，类型为 uint32。当 done 为 0 时，表示尚未初始化；非 0 时，表示已经初始化。
- atomic.LoadUint32 用于原子性地读取 done 的值，这样可以保证在并发环境下读取到的 done 值是准确的，不会出现脏读。
- atomic.CompareAndSwapUint32 用于原子性地比较和交换 done 的值。只有当 done 的当前值等于预期值（通常为 0）时，才会将其设置为新值（通常为 1）。这个操作保证了在多个 goroutine 同时尝试初始化时，只有一个 goroutine 能够成功设置 done 为已初始化状态。
状态机：
- sync.Once 可以看作是一个简单的状态机。它有两个状态：未初始化（done == 0）和已初始化（done != 0）。
- 初始状态为未初始化。当调用 Do 方法时，如果 done 为 0，即处于未初始化状态，就会尝试执行初始化函数。在执行初始化函数之前，会通过 atomic.CompareAndSwapUint32 尝试将 done 从 0 转换为 1（已初始化状态）。如果转换成功，则执行初始化函数；如果转换失败，说明其他 goroutine 已经完成了初始化，当前 goroutine 直接返回。

扩展版本设计思路

支持多次初始化：
- 为了支持多次初始化，我们不能仅仅依赖一个简单的 done 标志。可以引入一个计数器，记录初始化的次数。
- 当计数器达到某个特定值时，才认为初始化完成，不再进行后续初始化。
保证特定条件下初始化安全性：
- 使用 sync.Mutex 来保护对计数器和初始化状态的操作，确保在并发环境下的安全性。
- 同时，仍然需要原子操作来保证读取计数器和状态的一致性。

实现代码

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
)

// MultiOnce 扩展版本的 sync.Once
type MultiOnce struct {
    done   uint32
    count  uint32
    mutex  sync.Mutex
    limit  uint32
    fn     func()
}

// NewMultiOnce 创建一个新的 MultiOnce 实例
func NewMultiOnce(limit uint32, fn func()) *MultiOnce {
    return &MultiOnce{
        done:  0,
        count: 0,
        limit: limit,
        fn:    fn,
    }
}

// Do 执行初始化函数，支持多次初始化直到达到限制次数
func (m *MultiOnce) Do() {
    if atomic.LoadUint32(&m.done) == 1 {
        return
    }

    m.mutex.Lock()
    defer m.mutex.Unlock()

    if atomic.LoadUint32(&m.done) == 1 {
        return
    }

    if atomic.LoadUint32(&m.count) < m.limit {
        m.fn()
        atomic.AddUint32(&m.count, 1)
        if atomic.LoadUint32(&m.count) >= m.limit {
            atomic.StoreUint32(&m.done, 1)
        }
    }
}

使用示例

func main() {
    var mu sync.Mutex
    var num int
    initFn := func() {
        mu.Lock()
        num++
        mu.Unlock()
        fmt.Printf("Initializing, num = %d\n", num)
    }

    multiOnce := NewMultiOnce(3, initFn)

    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            multiOnce.Do()
        }()
    }
    wg.Wait()
}

在上述代码中：

MultiOnce 结构体包含了 done 标志、计数器 count、互斥锁 mutex、初始化次数限制 limit 和初始化函数 fn。
NewMultiOnce 函数用于创建 MultiOnce 实例，传入初始化次数限制和初始化函数。
Do 方法首先检查 done 标志，如果已经完成初始化则直接返回。然后获取互斥锁，再次检查 done 标志（防止在获取锁期间其他 goroutine 完成了初始化）。如果计数器小于限制次数，则执行初始化函数并增加计数器。当计数器达到限制次数时，设置 done 标志。

在 main 函数中，通过创建多个 goroutine 并发调用 Do 方法来测试扩展版本的 MultiOnce。

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