C# 多线程系列资源池限制

Posted 2021-04-14 NCC开源社区

Semaphore、SemaphoreSlim 类

两者都可以限制同时访问某一资源或资源池的线程数。

这里先不扯理论，我们从案例入手，通过示例代码，慢慢深入了解。

Semaphore 类

这里，先列出 Semaphore 类常用的 API。

其构造函数如下：

Semaphore 使用纯粹的内核时间(kernel-time)方式(等待时间很短)，并且支持在不同的进程间同步线程(像Mutex)。

Semaphore 常用方法如下：

示例

我们来直接写代码，这里使用 《原子操作 Interlocked》 中的示例，现在我们要求，采用多个线程执行计算，但是只允许最多三个线程同时执行运行。

使用 Semaphore ，有四个个步骤：

• new 实例化 Semaphore，并设置最大线程数、初始化时可进入线程数；
• 使用 .WaitOne(); 获取进入权限(在获得进入权限前，线程处于阻塞状态)。
• 离开时使用 Release() 释放占用。
• Close() 释放 Semaphore 对象。

《原子操作 Interlocked》 中的示例改进如下：

class Program
{
    // 求和
    private static int sum = 0;
    private static Semaphore _pool;
    // 判断十个线程是否结束了。
    private static int isComplete = 0;
    // 第一个程序
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("执行程序");
        // 设置允许最大三个线程进入资源池
        // 一开始设置为0，就是初始化时允许几个线程进入
        // 这里设置为0，后面按下按键时，可以放通三个线程
        _pool = new Semaphore(0, 3);
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(AddOne));
            thread.Start(i + 1);
        }
        Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red;
        Console.WriteLine("任意按下键(不要按关机键)，可以打开资源池");
        Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
        Console.ReadKey();
        // 准许三个线程进入
        _pool.Release(3);
        // 这里没有任何意义，就单纯为了演示查看结果。
        // 等待所有线程完成任务
        while(true)
        {
            if(isComplete >= 10) break;
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
        Console.WriteLine("sum = " + sum);
        // 释放池
        _pool.Close();
    }
    public static void AddOne(object n)
    {
        Console.WriteLine($ "    线程{(int)n}启动，进入队列");
        // 进入队列等待
        _pool.WaitOne();
        Console.WriteLine($ "第{(int)n}个线程进入资源池");
        // 进入资源池
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Interlocked.Add(ref sum, 1);
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(500));
        }
        // 解除占用的资源池
        _pool.Release();
        isComplete += 1;
        Console.WriteLine($ "                     第{(int)n}个线程退出资源池");
    }
}

看着代码有点多，快去运行一下，看看结果。

示例说明

实例化 Semaphore 使用了new Semaphore(0,3); ，其构造函数原型为

public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);

initialCount 表示一开始允许几个进程进入资源池，如果设置为 0，所有线程都不能进入，要一直等资源池放通。

maximumCount 表示最大允许几个线程进入资源池。

Release() 表示退出信号量并返回前一个计数。这个计数指的是资源池还可以进入多少个线程。

可以看一下下面的示例：

private static Semaphore _pool;
static void Main(string[] args)
{
    _pool = new Semaphore(0, 5);
    _pool.Release(5);
    new Thread(AddOne).Start();
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(10));
    _pool.Close();
}
public static void AddOne()
{
    _pool.WaitOne();
    Thread.Sleep(1000);
    int count = _pool.Release();
    Console.WriteLine("在此线程退出资源池前，资源池还有多少线程可以进入？" + count);
}

信号量

前面我们学习到 Mutex，这个类是全局操作系统起作用的。我们从 Mutex 和 Semphore 中，也看到了 信号量这个东西。

信号量分为两种类型：本地信号量和命名系统信号量。

• 命名系统信号量在整个操作系统中均可见，可用于同步进程的活动。
• 局部信号量仅存在于进程内。

当 name 为 null 或者为空时，Mutex 的信号量时局部信号量，否则 Mutex 的信号量是命名系统信号量。

Semaphore 的话，也是两种情况都有。

如果使用接受名称的构造函数创建 Semaphor 对象，则该对象将与该名称的操作系统信号量关联。

两个构造函数：

Semaphore(Int32, Int32, String)
Semaphore(Int32, Int32, String, Boolean)

上面的构造函数可以创建多个表示同一命名系统信号量的 Semaphore 对象，并可以使用 OpenExisting 方法打开现有的已命名系统信号量。

我们上面使用的示例就是局部信号量，进程中引用本地 Semaphore 对象的所有线程都可以使用。每个 Semaphore 对象都是单独的本地信号量。

SemaphoreSlim类

SemaphoreSlim 跟 Semaphore 有啥关系？

我看一下书再回答你。

哦哦哦，微软文档说：

SemaphoreSlim 表示对可同时访问资源或资源池的线程数加以限制的 Semaphore 的轻量替代。

SemaphoreSlim 不使用信号量，不支持进程间同步，只能在进程内使用。

它有两个构造函数：

示例

我们改造一下前面 Semaphore 中的示例：

class Program
{
    // 求和
    private static int sum = 0;
    private static SemaphoreSlim _pool;
    // 判断十个线程是否结束了。
    private static int isComplete = 0;
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("执行程序");
        // 设置允许最大三个线程进入资源池
        // 一开始设置为0，就是初始化时允许几个线程进入
        // 这里设置为0，后面按下按键时，可以放通三个线程
        _pool = new SemaphoreSlim(0, 3);
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(AddOne));
            thread.Start(i + 1);
        }
        Console.WriteLine("任意按下键(不要按关机键)，可以打开资源池");
        Console.ReadKey();
        // 
        _pool.Release(3);
        // 这里没有任何意义，就单纯为了演示查看结果。
        // 等待所有线程完成任务
        while(true)
        {
            if(isComplete >= 10) break;
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
        Console.WriteLine("sum = " + sum);
        // 释放池
    }
    public static void AddOne(object n)
    {
        Console.WriteLine($ "    线程{(int)n}启动，进入队列");
        // 进入队列等待
        _pool.Wait();
        Console.WriteLine($ "第{(int)n}个线程进入资源池");
        // 进入资源池
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Interlocked.Add(ref sum, 1);
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(200));
        }
        // 解除占用的资源池
        _pool.Release();
        isComplete += 1;
        Console.WriteLine($ "                     第{(int)n}个线程退出资源池");
    }
}

SemaphoreSlim 不需要 Close()。

两者在代码上的区别是就这么简单。

区别

如果使用下面的构造函数实例化 Semaphor(参数 name 不能为空)，那么创建的对象在整个操作系统内都有效。

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

Semaphorslim 则只在进程内内有效。

SemaphoreSlim 类不会对 Wait、WaitAsync 和 Release 方法的调用强制执行线程或任务标识。

而 Semaphor 类，会对此进行严格监控，如果对应调用数量不一致，会出现异常。

此外，如果使用 SemaphoreSlim(Int32 maximumCount) 构造函数来实例化 SemaphoreSlim 对象，获取其 CurrentCount 属性，其值可能会大于 maximumCount。编程人员应负责确保调用一个 Wait 或 WaitAsync 方法，便调用一个 Release。

这就好像笔筒里面的笔，没有监控，使用这使用完毕后，都应该将笔放进去。如果原先有10支笔，每次使用不放进去，或者将别的地方的笔放进去，那么最后数量就不是10了。

﹏

﹏

﹏

﹏