并发编程 - 线程同步（九）之信号量Semaphore

前面对自旋锁SpinLock进行了详细学习，今天我们将学习另一个种同步机制——信号量Semaphore。

01、信号量是什么？

在 C# 中，信号量（Semaphore）是一种用于线程同步的机制，能够控制对共享资源的访问。它的工作原理是通过维护一个计数器来控制对资源的访问次数。它常用于限制对共享资源（如数据库连接池、文件系统、网络资源等）的并发访问。

1、信号量有三个核心概念：

1.计数：信号量的核心是一个计数器，表示当前资源的可用数量；

2.等待：当线程请求资源时，此次如果计数器大于0，则线程可以继续执行，同时计数器减1；如果计数器等于0，则线程被阻塞直至其他线程释放资源，即有线程增加计数器的值；

3.释放：当线程使用完资源后，则需要释放信号量，同时计数器加1，并唤醒其他等待的线程；

相信理解了信号量核心概念，其工作原理就不言而喻。

2、应用场景：

通过对信号量的工作原理了解，我们可以总结为：信号量就是为了控制对共享资源的访问，保证共享资源不会被过度使用，因此可以引申出以下适用于信号量的场景：

1.控制各种连接池：限制同时打开各种资源的连接数量（比如连接打印机数量，数据库连接数据，文件访问数量）；

2.限制网络请求：防止服务器过载，导致服务器崩溃；

3.协调多个线程的执行顺序：通过信号量控制生成者和消费者之间的资源访问, 实现生产者和消费者模型；

02、C#中的信号量实现

C#提供了两种信号量类型：Semaphore和SemaphoreSlim。其中两者功能基本相同,却又有所不同，而SemaphoreSlim是更轻量、更快速的信号量实现。下面是两种简单比较：

Semaphore： 是基于系统内核实现，属于内核级别同步，支持跨进程资源同步，因此性能较低，内存占用较大；它可以一次释放多个信号量，但是没有提供原生的异步支持；

SemaphoreSlim： 是用户级别同步，并不依赖系统内核，因此不支持跨进程资源同步，因此性能更高，内存占用更低；它一次只能释放一个信号量，但是提供了原生异步支持；

03、Semaphore使用示例

通过对信号量原理的详细了解，而作为对信号量实现类Semaphore，这些原理也同样适用，因此Semaphore类的构造函数就指定了用于控制线程数量的参数。其构造函数如下：

public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);
public Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string name);

initialCount: 初始化信号量的计数，表示初始时可以同时访问资源的线程数量。

maximumCount: 信号量的最大计数，表示允许同时访问资源的最大线程数。

name: 可选的名称，用于命名信号量对象（可在多个进程间共享信号量）。

然后可以用WaitOne方法获取信号量，使用Release方法释放信号量。

下面我们做一个小例子，创建一个初始化为2个线程的信号量Semaphore，然后启动5个线程用来访问信号量，并在获取信号量之前、之后以及释放信号量之前都加上日志，用来观察线程被控制的过程。代码如下：

public class SemaphoreExample
{
    //初始化最多2个线程同时进入, 最大允许3个线程
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2, 3);
    //用于不同的线程显示不同的颜色，方便观察结果
    private static ConsoleColor[] colors = new ConsoleColor[5]
    {
        ConsoleColor.Red,
        ConsoleColor.White,
        ConsoleColor.Yellow,
        ConsoleColor.Green,
        ConsoleColor.Blue
    };
    public static void Worker(object? i)
    {
        var id = (int)i;
        var color = colors[id];
        PrintText.SafeForegroundColor($"线程 {id} 等待进入...", color);
        //请求进入信号量（如果资源不可用，则返回）
        semaphore.WaitOne();
        PrintText.SafeForegroundColor($"线程 {id} 已 [ 进入 ] 同步代码块.", color);
        //业务处理
        Thread.Sleep(2000);
        PrintText.SafeForegroundColor($"线程 {id} 已 [ 离开 ] 同步代码块.", color);
        //释放信号量（让其他线程可以进入）
        semaphore.Release();
    }
}
public static void SemaphoreRun()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Thread t = new Thread(SemaphoreExample.Worker);
        t.Start(i);
    }
}

我们一起看看执行结果：

可以发现在红框部分为所有线程初始化完成，同时只有两个线程获取到信号量，之后就是又一个信号量释放成功，则紧跟着一个等待线程会立马进入，直到所有线程处理完成。

到这里会有一个疑问，我们在初始化信号量Semaphore时，指定了最大允许3个线程可以同时进入，但是上面示例并没有体现出来，这是为什么呢？

这是因为在信号量的生命周期中，maximumCount参数并不会直接改变信号量的当前可用资源数量，而是限制并发线程数的最大值。因此如果要想看到效果，则需要经过特殊处理才行，比如我们在上面的代码中释放信号量时，我们执行两次释放操作，但是这样会导致最后释放操作报SemaphoreFullException异常，因此要注意获取和释放信号量操作要配对，这里仅仅为了演示，执行结果如下：

可以看到maximumCount最大访问线程数生效了。

04、Semaphore使用注意事项

1.确保每个调用 WaitOne方法 的线程最终都会调用 Release方法。否则，可能会导致死锁。

2.确保Release方法的调用次数不应超过 WaitOne方法的调用次数，否则会抛出 SemaphoreFullException异常

3.如果单进程程序尽量选择SemaphoreSlim，因为SemaphoreSlim性能更好。

4.如果需要跨进程同步可以使用带名称的构造函数 Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string name)。

注：测试方法代码以及示例源码都已经上传至代码库，有兴趣的可以看看。https://gitee.com/hugogoos/Planner