C# 多线程访问之 SemaphoreSlim（信号量）【C# 进阶】

SemaphoreSlim 是对可同时访问某一共享资源或资源池的线程数加以限制的 Semaphore 的轻量替代，也可在等待时间预计很短的情况下用于在单个进程内等待。

由于 SemaphoreSlim 更加轻量、快速，因此推荐使用，本文也着重介绍。

一、简介

相较于线程锁的使一块代码只能一个线程访问，SemaphoreSlim 则是让同一块代码让多个线程同时访问，并且总数量可控。

SemaphoreSlim 尽可能多地依赖公共语言运行时 (CLR) 提供的同步基元。还提供延迟初始化、基于内核的等待句柄。

SemaphoreSlim 也支持使用取消标记，但不支持命名信号量或使用用于同步的等待句柄。

线程通过调用从 WaitHandle 类中继承的 WaitOne 方法进入信号量，无论对于 System.Threading.Semaphore 对象、SemaphoreSlim.Wait 或 SemaphoreSlim.WaitAsync 方法还是 SemaphoreSlim 对象都适用。

当调用返回时，信号量计数会减少，当线程请求进入且计数为零时，此线程受到阻止。线程通过调用 Semaphore.Release 或 SemaphoreSlim.Release 方法释放信号量时，允许受阻线程进入，此时信号量计数会增加。

受阻线程进入信号量无保证的顺序，比如先进先出 (FIFO) 或按后进先出 (LIFO)。

二、用法示例

关于 SemaphoreSlim、Wait()、Release() 的一个示例。

特别注意：若初始信号量为 0，则需要手动释放（Release()）信号量。

class Program
{
    private static SemaphoreSlim semaphore;
    private static int padding; // 增加固定时间间隔，使输出更有序
    static void Main(string[] args)
    {
        // 创建 semaphore 对象
        semaphore = new SemaphoreSlim(0, 4); // （初始数量，最大数量）
        Console.WriteLine($"semaphore 中现有 {semaphore.CurrentCount} 个信号量");
        Task[] tasks = new Task[10];
        for (int i = 0; i <= 9; i++)
        {
            tasks[i] = Task.Run(() =>
            {
                Console.WriteLine($"任务 {Task.CurrentId} 准备进入 semaphore");
                int semaphoreCount;
                semaphore.Wait(); // 调用 Wait() 方法，标记等待进入信号量
                try
                {
                    Interlocked.Add(ref padding, 100);
                    Console.WriteLine($"任务 {Task.CurrentId} 进入 semaphore");
                    Thread.Sleep(1000 + padding);
                }
                finally
                {
                    semaphoreCount = semaphore.Release(); // 调用 Release() 方法，释放信号量
                    // semaphoreCount：释放当前信号量之前的信号量
                }
                Console.WriteLine($"任务 {Task.CurrentId} 完成，释放 semaphore 一个信号量；释放前信号量：{semaphoreCount}");
            });
        }
        Thread.Sleep(500); // 暂时阻塞主线程，让全部线程到位
        Console.Write("主线程调用 Release(4) 释放四个信号量--> ");
        semaphore.Release(4); // 由于初始数量为 0 所以需要手动释放信号量
        Console.WriteLine($"semaphore 现有信号量 {semaphore.CurrentCount}");
        Task.WaitAll(tasks); // 等待全部线程完成
        Console.WriteLine("主线程退出");
    }
}

输出结果：

三、属性 or 函数 or 方法释义

属性-AvailableWaitHandle

返回一个 WaitHandle 对象，即封装等待对共享资源的独占访问的操作系统对象。

属性-CurrentCount

指的是对于 SemaphoreSlim 对象，可以输入信号量的剩余线程数。

属性的初始值 CurrentCount 由对类构造函数的 SemaphoreSlim 调用设置。每次对 Wait 或 WaitAsync 方法的调用会递减，并按对 Release 方法的每此调用递增。

构造方法-SemaphoreSlim(Int32)

public SemaphoreSlim (int initialCount);

初始化 SemaphoreSlim 类的新实例，以指定可同时授予的请求的初始数量，但未指定最大请求数。

若初始数量为 0，则需要手动释放指定数量的信号量；若小于 0，则抛出异常：ArgumentOutOfRangeException。

构造方法-SemaphoreSlim(Int32, Int32)

public SemaphoreSlim (int initialCount, int maxCount);

初始化 SemaphoreSlim 类的新实例，同时指定可同时授予的请求的初始数量和最大数量。

若initialCount 小于 0，或 initialCount 大于 maxCount，或 maxCount 小于等于 0，则抛出异常：ArgumentOutOfRangeException。

方法-Dispose

用于释放由 SemaphoreSlim 类的当前实例使用的所有资源。

SemaphoreSlim 与大多数成员不同，Dispose 不是线程安全的，不能与此实例的其他成员同时使用。

// 若要释放托管资源和非托管资源，则为 true（缺省默认）；
// 若仅释放非托管资源，则为 false
protected virtual void Dispose (bool disposing);

方法-Release

对 Release() 方法的调用将属性递增一个 CurrentCount 数。如果在调用此方法之前 CurrentCount 属性值为零，该方法还允许调用 Wait 或 WaitAsync 方法，阻止一个线程或任务进入信号灯。

// 释放 SemaphoreSlim 对象指定的次数
public int Release (int releaseCount);

方法-Wait

阻止当前线程，直至它可进入 SemaphoreSlim 对象为止。

// 使用 TimeSpan 来指定超时，同时监视取消动作 CancellationToken
[System.Runtime.Versioning.UnsupportedOSPlatform("browser")]
public bool Wait (TimeSpan timeout, System.Threading.CancellationToken cancellationToken);
// TimeSpan 表示要等待的毫秒数，-1 代表无限等待，0 代表立即返回-测试用例

// 阻止当前线程，直至它可进入 SemaphoreSlim 为止
// 并使用 32 位带符号整数来指定超时（-1 代表无限等待），同时监视取消操作 CancellationToken
[System.Runtime.Versioning.UnsupportedOSPlatform("browser")]
public bool Wait (int millisecondsTimeout, System.Threading.CancellationToken cancellationToken);
// 返回值 bool：如果当前线程成功进入 SemaphoreSlim，则为 true；否则为 false

// 阻止当前线程，直至它可进入 SemaphoreSlim 为止
[System.Runtime.Versioning.UnsupportedOSPlatform("browser")]
public void Wait ();

方法-WaitAsync

此为 Wait 方法的异步方式，优势在于对线程不会独占，即不会独占当前线程直到释放信号量。

若将本文第二部分中的代码：（两处修改）

semaphore.Wait();
// 1/2 改为以下，异步方式
semaphore.WaitAsync();
// 2/2 并记录线程 ID（在如下位置添加一行打印信息）
try
{
    Console.WriteLine($"任务 {Task.CurrentId} 进入 semaphore");
    Console.WriteLine($"ProcessorId {Thread.GetCurrentProcessorId()}");// 新增行
    Interlocked.Add(ref padding, 100);
    Thread.Sleep(1000 + padding);
}

输出的结果：（可见打印出来的线程 ID 有相同的情况，说明并非独占）

参考官方：SemaphoreSlim 类

注：个人记录，有问题欢迎指正。