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C#多線程系列之資源池限制

更新時(shí)間：2022年02月13日 15:25:28 作者：癡者工良

這篇文章介紹了C#多線程的資源池限制，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)。對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下

Semaphore、SemaphoreSlim 類

兩者都可以限制同時(shí)訪問(wèn)某一資源或資源池的線程數(shù)。

這里先不扯理論，我們從案例入手，通過(guò)示例代碼，慢慢深入了解。

Semaphore 類

這里，先列出 Semaphore 類常用的 API。

其構(gòu)造函數(shù)如下：

構(gòu)造函數(shù)	說(shuō)明
Semaphore(Int32, Int32)	初始化 Semaphore 類的新實(shí)例，并指定初始入口數(shù)和最大并發(fā)入口數(shù)。
Semaphore(Int32, Int32, String)	初始化 Semaphore 類的新實(shí)例，并指定初始入口數(shù)和最大并發(fā)入口數(shù)，根據(jù)需要指定系統(tǒng)信號(hào)燈對(duì)象的名稱。
Semaphore(Int32, Int32, String, Boolean)	初始化 Semaphore 類的新實(shí)例，并指定初始入口數(shù)和最大并發(fā)入口數(shù)，還可以選擇指定系統(tǒng)信號(hào)量對(duì)象的名稱，以及指定一個(gè)變量來(lái)接收指示是否創(chuàng)建了新系統(tǒng)信號(hào)量的值。

Semaphore 使用純粹的內(nèi)核時(shí)間(kernel-time)方式(等待時(shí)間很短)，并且支持在不同的進(jìn)程間同步線程(像Mutex)。

Semaphore 常用方法如下：

方法	說(shuō)明
Close()	釋放由當(dāng)前 WaitHandle占用的所有資源。
OpenExisting(String)	打開(kāi)指定名稱為信號(hào)量（如果已經(jīng)存在）。
Release()	退出信號(hào)量并返回前一個(gè)計(jì)數(shù)。
Release(Int32)	以指定的次數(shù)退出信號(hào)量并返回前一個(gè)計(jì)數(shù)。
TryOpenExisting(String, Semaphore)	打開(kāi)指定名稱為信號(hào)量（如果已經(jīng)存在），并返回指示操作是否成功的值。
WaitOne()	阻止當(dāng)前線程，直到當(dāng)前 WaitHandle 收到信號(hào)。
WaitOne(Int32)	阻止當(dāng)前線程，直到當(dāng)前 WaitHandle 收到信號(hào)，同時(shí)使用 32 位帶符號(hào)整數(shù)指定時(shí)間間隔（以毫秒為單位）。
WaitOne(Int32, Boolean)	阻止當(dāng)前線程，直到當(dāng)前的 WaitHandle 收到信號(hào)為止，同時(shí)使用 32 位帶符號(hào)整數(shù)指定時(shí)間間隔，并指定是否在等待之前退出同步域。
WaitOne(TimeSpan)	阻止當(dāng)前線程，直到當(dāng)前實(shí)例收到信號(hào)，同時(shí)使用 TimeSpan 指定時(shí)間間隔。
WaitOne(TimeSpan, Boolean)	阻止當(dāng)前線程，直到當(dāng)前實(shí)例收到信號(hào)為止，同時(shí)使用 TimeSpan 指定時(shí)間間隔，并指定是否在等待之前退出同步域。

示例

我們來(lái)直接寫代碼，這里使用《原子操作 Interlocked》中的示例，現(xiàn)在我們要求，采用多個(gè)線程執(zhí)行計(jì)算，但是只允許最多三個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行運(yùn)行。

使用 Semaphore ，有四個(gè)個(gè)步驟：

new 實(shí)例化 Semaphore，并設(shè)置最大線程數(shù)、初始化時(shí)可進(jìn)入線程數(shù)；

使用 .WaitOne(); 獲取進(jìn)入權(quán)限(在獲得進(jìn)入權(quán)限前，線程處于阻塞狀態(tài))。

離開(kāi)時(shí)使用 Release() 釋放占用。

Close() 釋放Semaphore 對(duì)象。

《原子操作 Interlocked》中的示例改進(jìn)如下：

    class Program
    {
        // 求和
        private static int sum = 0;
        private static Semaphore _pool;

        // 判斷十個(gè)線程是否結(jié)束了。
        private static int isComplete = 0;
        // 第一個(gè)程序
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("執(zhí)行程序");

            // 設(shè)置允許最大三個(gè)線程進(jìn)入資源池
            // 一開(kāi)始設(shè)置為0，就是初始化時(shí)允許幾個(gè)線程進(jìn)入
            // 這里設(shè)置為0，后面按下按鍵時(shí)，可以放通三個(gè)線程
            _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("任意按下鍵(不要按關(guān)機(jī)鍵)，可以打開(kāi)資源池");
            Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
            Console.ReadKey();

            // 準(zhǔn)許三個(gè)線程進(jìn)入
            _pool.Release(3);

            // 這里沒(méi)有任何意義，就單純?yōu)榱搜菔静榭唇Y(jié)果。
            // 等待所有線程完成任務(wù)
            while (true)
            {
                if (isComplete >= 10)
                    break;
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            }
            Console.WriteLine("sum = " + sum);

            // 釋放池
            _pool.Close();
            
        }

        public static void AddOne(object n)
        {
            Console.WriteLine($"    線程{(int)n}啟動(dòng)，進(jìn)入隊(duì)列");
            // 進(jìn)入隊(duì)列等待
            _pool.WaitOne();
            Console.WriteLine($"第{(int)n}個(gè)線程進(jìn)入資源池");
            // 進(jìn)入資源池
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Interlocked.Add(ref sum, 1);
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(500));
            }
            // 解除占用的資源池
            _pool.Release();
            isComplete += 1;
            Console.WriteLine($"                     第{(int)n}個(gè)線程退出資源池");
        }
    }

看著代碼有點(diǎn)多，快去運(yùn)行一下，看看結(jié)果。

示例說(shuō)明

實(shí)例化 Semaphore 使用了new Semaphore(0,3); ，其構(gòu)造函數(shù)原型為

public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);

initialCount 表示一開(kāi)始允許幾個(gè)進(jìn)程進(jìn)入資源池，如果設(shè)置為0，所有線程都不能進(jìn)入，要一直等資源池放通。

maximumCount 表示最大允許幾個(gè)線程進(jìn)入資源池。

Release() 表示退出信號(hào)量并返回前一個(gè)計(jì)數(shù)。這個(gè)計(jì)數(shù)指的是資源池還可以進(jìn)入多少個(gè)線程。

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("在此線程退出資源池前，資源池還有多少線程可以進(jìn)入？" + count);
        }

信號(hào)量

前面我們學(xué)習(xí)到 Mutex，這個(gè)類是全局操作系統(tǒng)起作用的。我們從 Mutex 和 Semphore 中，也看到了信號(hào)量這個(gè)東西。

信號(hào)量分為兩種類型：本地信號(hào)量和命名系統(tǒng)信號(hào)量。

命名系統(tǒng)信號(hào)量在整個(gè)操作系統(tǒng)中均可見(jiàn)，可用于同步進(jìn)程的活動(dòng)。
局部信號(hào)量?jī)H存在于進(jìn)程內(nèi)。

當(dāng) name 為 null 或者為空時(shí)，Mutex 的信號(hào)量時(shí)局部信號(hào)量，否則 Mutex 的信號(hào)量是命名系統(tǒng)信號(hào)量。

Semaphore 的話，也是兩種情況都有。

如果使用接受名稱的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建 Semaphor 對(duì)象，則該對(duì)象將與該名稱的操作系統(tǒng)信號(hào)量關(guān)聯(lián)。

兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)：

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

上面的構(gòu)造函數(shù)可以創(chuàng)建多個(gè)表示同一命名系統(tǒng)信號(hào)量的 Semaphore 對(duì)象，并可以使用 OpenExisting 方法打開(kāi)現(xiàn)有的已命名系統(tǒng)信號(hào)量。

我們上面使用的示例就是局部信號(hào)量，進(jìn)程中引用本地 Semaphore 對(duì)象的所有線程都可以使用。每個(gè) Semaphore 對(duì)象都是單獨(dú)的本地信號(hào)量。

SemaphoreSlim類

SemaphoreSlim 跟 Semaphore 有啥關(guān)系？

微軟文檔：

SemaphoreSlim 表示對(duì)可同時(shí)訪問(wèn)資源或資源池的線程數(shù)加以限制的 Semaphore 的輕量替代。

SemaphoreSlim 不使用信號(hào)量，不支持進(jìn)程間同步，只能在進(jìn)程內(nèi)使用。

它有兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)：

構(gòu)造函數(shù)	說(shuō)明
SemaphoreSlim(Int32)	初始化 SemaphoreSlim 類的新實(shí)例，以指定可同時(shí)授予的請(qǐng)求的初始數(shù)量。
SemaphoreSlim(Int32, Int32)	初始化 SemaphoreSlim 類的新實(shí)例，同時(shí)指定可同時(shí)授予的請(qǐng)求的初始數(shù)量和最大數(shù)量。

示例

我們改造一下前面 Semaphore 中的示例：

    class Program
    {
        // 求和
        private static int sum = 0;
        private static SemaphoreSlim _pool;

        // 判斷十個(gè)線程是否結(jié)束了。
        private static int isComplete = 0;
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("執(zhí)行程序");

            // 設(shè)置允許最大三個(gè)線程進(jìn)入資源池
            // 一開(kāi)始設(shè)置為0，就是初始化時(shí)允許幾個(gè)線程進(jìn)入
            // 這里設(shè)置為0，后面按下按鍵時(shí)，可以放通三個(gè)線程
            _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("任意按下鍵(不要按關(guān)機(jī)鍵)，可以打開(kāi)資源池");
            Console.ReadKey();
            // 
            _pool.Release(3);

            // 這里沒(méi)有任何意義，就單純?yōu)榱搜菔静榭唇Y(jié)果。
            // 等待所有線程完成任務(wù)
            while (true)
            {
                if (isComplete >= 10)
                    break;
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
            }
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
            // 釋放池
        }

        public static void AddOne(object n)
        {
            Console.WriteLine($"    線程{(int)n}啟動(dòng)，進(jìn)入隊(duì)列");
            // 進(jìn)入隊(duì)列等待
            _pool.Wait();
            Console.WriteLine($"第{(int)n}個(gè)線程進(jìn)入資源池");
            // 進(jìn)入資源池
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Interlocked.Add(ref sum, 1);
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromMilliseconds(200));
            }
            // 解除占用的資源池
            _pool.Release();
            isComplete += 1;
            Console.WriteLine($"                     第{(int)n}個(gè)線程退出資源池");
        }
    }

SemaphoreSlim 不需要 Close()。

兩者在代碼上的區(qū)別是就這么簡(jiǎn)單。

區(qū)別

如果使用下面的構(gòu)造函數(shù)實(shí)例化 Semaphor(參數(shù)name不能為空)，那么創(chuàng)建的對(duì)象在整個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)都有效。

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

Semaphorslim 則只在進(jìn)程內(nèi)內(nèi)有效。

SemaphoreSlim 類不會(huì)對(duì) Wait、WaitAsync 和 Release 方法的調(diào)用強(qiáng)制執(zhí)行線程或任務(wù)標(biāo)識(shí)。

而 Semaphor 類，會(huì)對(duì)此進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，如果對(duì)應(yīng)調(diào)用數(shù)量不一致，會(huì)出現(xiàn)異常。

此外，如果使用 SemaphoreSlim(Int32 maximumCount) 構(gòu)造函數(shù)來(lái)實(shí)例化 SemaphoreSlim 對(duì)象，獲取其 CurrentCount 屬性，其值可能會(huì)大于 maximumCount。編程人員應(yīng)負(fù)責(zé)確保調(diào)用一個(gè) Wait 或 WaitAsync 方法，便調(diào)用一個(gè) Release。

這就好像筆筒里面的筆，沒(méi)有監(jiān)控，使用這使用完畢后，都應(yīng)該將筆放進(jìn)去。如果原先有10支筆，每次使用不放進(jìn)去，或者將別的地方的筆放進(jìn)去，那么最后數(shù)量就不是10了。