推荐一种并发线程中资源同步常用方法

汝雨竹 · 2 小时前

在实际应用开发中，为了提高效率，一些大的任务会被拆成很多小的子任务，然后再将任务按照先后顺序进行排列组合，而某些可以同时执行的任务，就会被安排成并行执行，进而就会用到多线程去处理；这些并发线程，有时会需要使用同一种资源，且这种资源在同一时刻也只能供少量或单一线程使用，这种资源被称为临界资源。那如何才能保证在并发线程中，各个线程都能有条不紊的使用临界资源呢？我们需要给临界资源一个信号量（Semaphore），当资源正在被占用时，告诉其他后面的线程，需要等待前面的线程使用资源结束，才能接着使用，总而言之，就是需要排队使用资源。
今天我们以一些简单的小例子，简述在.NET开发中信号量的使用方法与应用，仅供学习分享使用，如有不足之处，还请指正。

什么是信号量？

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。
信号量理解起来有三点核心要素：

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；即总资源数-正在被使用资源数=剩余可用数量。
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；
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；

通过信号量的定义和核心要素，以及实现原理，可以推断出它的应用场景，就是控制对共享临界资源的使用，避免出现过度使用资源的现象出现。

在.NET开发中，基于C#语言，有两种信号量实现方式，具体如下所示：

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；

具体对比如下图所示：

Semaphore实例

Semaphore主要方法有以下几个：

构造方法，Semaphore提供在构造方法有3个，可以根据需要用来设置初始信号数量，最大信号数量，信号量名称，out修饰的是否创建新的信号。如果不需要跨进程，则采集两个默认两个参数在构造函数即可。
WaitOne，等待方法用于等待一个信号，此方法接收一个参数用于设置超时时间，它返回一个bool值，true表示接收到信号，false表示没有接收到信号。
Release，释放资源方法，默认释放一个资源的占用。此方法接收一个参数用于设置释放占用资源的数量。

应用示例：定义一个共享资源信号量，同一时刻允许2个线程使用，最大线程数量为5，则采用默认构造函数并指定初始值，最大值即可，如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{
public class Test
{
private readonly Semaphore semaphore;
public Test()
{
semaphore = new Semaphore(2, 5);
}
/// <summary>
/// Work
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
public void Work(int id)
{
try
{
Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");
semaphore.WaitOne();
Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");
//do something
Thread.Sleep(3000);
}
catch
{
throw;
}
finally
{
Console.WriteLine($"id = {id} 离开了working area.");
semaphore.Release();
}
}
}
}

复制代码

当我们创建5个线程，同时调用资源时，也只允许同一时刻2个线程使用，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;
namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Hello, World!");
Test test = new Test();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int id = i;
Task.Run(() =>
{
test.Work(id);
});
}
Console.ReadKey();
}
}
}

复制代码

运行实例，效果如下所示：

命名信号量

Semaphore是内核级别同步，在构造函数中，可以为信号量指定名称，这样就可以跨进程获取信号量，并进行操作。如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{
public class Test3
{
private readonly Semaphore semaphore;
public Test3()
{
semaphore = new Semaphore(1, 1,"okcoder");
}
/// <summary>
/// Work
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
public void Work(int id)
{
Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");
semaphore.WaitOne();
Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");
}
}
}

复制代码

同样运行5个线程调用方法，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;
namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Hello, World!");
Test3 test = new Test3();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int id = i;
Task.Run(() =>
{
test.Work(id);
});
}
Console.ReadKey();
}
}
}

复制代码

在上述示例中，指定了一个初始信号数量为1，最大信号量为1，名称为okcoder的信号量，接下在另外一个程序中通过Semaphore.OpenExisting方法进行获取信号量，并操作信号量的释放，如下所示：

using System;
namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements2
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("输入回车键，释放信号量");
Semaphore semaphore = Semaphore.OpenExisting("okcoder");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.Enter)
{
semaphore.Release();
Console.WriteLine("释放一个信号量");
}
}
Console.WriteLine("信号量已释放完成，按任意键退出");
Console.ReadKey();
}
}
}

复制代码

运行实例如下所示：

在上述示例中，每输入一个Enter键，就释放一个信号量，原进程就允许进入一个资源，说明Semaphore可以被跨进程获取和操作，进而证明它是系统内核级别的同步。

SemaphoreSlim实例

SemaphoreSlim是Semaphore的一个轻量级实现，它是用户级别的，它允许在同一个进程内各线程之间进行资源的同步。SemaphoreSlim只需要指定初始线程数量，最大线程数量即可，不需要指定信号量的名称。
SemaphoreSlim主要方法有以下几个：

构造方法，SemaphoreSlim提供在构造方法有2个，可以根据需要用来设置初始信号数量，最大信号数量。
Wait，等待方法用于等待一个信号，此方法接收一个参数用于设置超时时间，它返回一个bool值，true表示接收到信号，false表示没有接收到信号。
WaitAsync，支持Wait信号的异步调用。
Release，释放资源方法，默认释放一个资源的占用。此方法接收一个参数用于设置释放占用资源的数量。

说明：如果不需要跨进程处理资源同步的时候，SemaphoreSlim才是最佳选择。

应用示例：定义一个共享资源信号量，同一时刻允许2个线程使用，最大线程数量为5，则采用默认构造函数并指定初始值，最大值即可，如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{
public class Test2
{
private readonly SemaphoreSlim semaphoreSlim;
public Test2()
{
semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(2, 5);
}
/// <summary>
/// Work
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
public void Work(int id)
{
try
{
Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");
semaphoreSlim.Wait();
Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");
//do something
Thread.Sleep(3000);
}
catch
{
throw;
}
finally
{
Console.WriteLine($"id = {id} 离开了working area.");
semaphoreSlim.Release();
}
}
}
}

复制代码

当我们创建5个线程，同时调用资源时，也只允许同一时刻2个线程使用，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;
namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Hello, World!");
Test2 test = new Test2();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int id = i;
Task.Run(() =>
{
test.Work(id);
});
}
Console.ReadKey();
}
}
}

复制代码

运行实例，效果如下所示：

可以看到，每次进入共享资源的顺序都不同，但同一时刻允许进入的数量是一样的。

以上就是《推荐一种并发线程中资源同步常用方法》的全部内容，旨在抛砖引玉，一起学习，共同进步。

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