Go语言扩展原语之Semaphore的用法详解

概述

信号量是并发编程中常见的一种同步机制，在需要控制访问资源的进程数量时就会用到信号量，它会保证持有的计数器在 0 到初始化的权重之间波动。

• 每次获取的资源都会将信号量中的计数器减去对应的数值，在释放时重新加回来
• 当遇到计数器大于信号量大小时，会进入休眠等待其他线程释放信号

Go语言的扩展包中提供了带权重的信号量 semaphore.Weighted，我们可以按照不同的权重管理资源的访问，这种结构体暴露了 4 个方法：

• semaphore.NewWeighted —— 用于创建新的信号量
• semaphore.Weighted.Acquire —— 阻塞地获取指定权重的资源，如果当前没有空闲资源，会陷入休眠等待
• semaphore.Weighted.TryAcquire —— 非阻塞地获取指定权重的资源，如果当前没有空闲资源，会直接返回 false
• semaphore.Weighted.Relesae —— 用于释放指定权重的资源

结构体

semaphore.NewWeighted 方法能提供传入的大量权重创建一个指向 semaphore.Weighted 结构体的指针：

func NewWeighted(n int64) *Weighted {
    w := &Weighted{size: n}
    return w
}
type Weighted struct {
    size    int64
    cur     int64
    mu      sync.Mutex
    waiters list.list
}

semaphore.Weighted 结构体中包含一个 waiters 列表，其中存储着等待获取资源的 Goroutine。除此之外，它还包含当前信号量的上限以及一个计数器 cur， 这个计数器的范围就是 [0,size]

信号量中的计数器会随着用户对资源的访问和释放而改变，引入的权重概念能够提供更细粒度的资源访问控制，尽可能满足常见用例。

获取

semaphore.Weighted.Acquire 方法能用于获取指定权重的资源，其中包含 3 中情况：

• 当信号量中剩余资源大于获取的资源并且没有等待的 Goroutine 时，会直接获取信号量
• 当需要获取的信号量大于 semaphore.Weighted 的上限时，由于不可能满足条件，因此会直接返回错误
• 遇到其他情况时，会将当前 Goroutine 加入等待列表，并通过 select 等待调度器唤醒当前 Goroutine，Goroutine 被唤醒后会获取信号量

func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
    if s.size - s.cur >= n && len(s.waiters) == 0 {
        s.cur += n
        return nil
    }
    ...
    ready := make(chan struct{})
    w := waiter{n: n, ready: ready}
    elem := s.waiters.PushBack(w)
    select {
    case <-ctx.Done():
        err := ctx.Err()
        select {
        case <-ready:
            err = nil
        default:
            s.waiters.Remove(elem)
        }
        return err
    case <-ready:
        return nil
    }
}

另一个用于获取信号量的方法 semaphore.Weighted.TryAcquire 只会非阻塞地判断当前信号量是否有充足的资源，如果有，会立刻返回 true， 否则会返回 false ：

func (s *Weighted) TryAcquire(n int64) bool {
    s.mu.Lock()
    success := s.size-s.cur >= n && len(s.waiters) == 0
    if success {
        s.cur += n
    }
    s.mu.Unlock()
    return success
}

因为 semaphore.Weighted.TryAcquire 不会等待资源的释放，所以可能更适用于一些对延时敏感、用户需要立刻感知结果的场景

释放

当我们要释放信号量时，semaphore.Weighted.Relesae 方法会从头到尾遍历 waiters 列表中全部的等待者，如果释放资源后的信号量有充足的剩余资源，就会通过 Channel 唤醒指定的 Goroutine：

func (c *Weighted) Relesae(n int64) {
    s.mu.Lock()
    s.cur -= n
    for {
        next := w.waiters.Front()
        if next == nil {
            break
        }
        w := next.Value.(waiter)
        if s.size-s.cur < w.n {
            break
        }
        s.cur += w.n
        s.waiters.Remove(next)
        close(w.ready)
    }
    s.mu.Unlock()
}

当然，也可能会出现剩余资源无法唤醒 Channel 的情况，这时当前方法释放锁之后会直接返回。

通过 semaphore.Weighted.Relesae 的分析我们可以发现，如果一个信号量需要占用的资源非常多，它可能会长时间无法获取锁，这也是 semaphore.Weighted.Acquire 引入上下文参数的原因，即为信号量的获取设置超时时间。

小结

带权重的信号量确实有更多的应用场景，，这也是Go语言对外提供的唯一信号量实现，使用过程中需要注意以下几个问题：

• semaphore.Weighted.Acquire 和 semaphore.Weighted.TryAcquire 都可以适用于获取资源，前者会阻塞获取信号量，后者会非阻塞获取信号量
• semaphore.Weighted.Relesae 方法会按照先进先出的顺序唤醒可以被唤醒的 Goroutine
• 如果一个 Goroutine 获取了较多的资源，由于 semaphore.Weighted.Relesae 的释放策略可能会等待较长时间

到此这篇关于Go语言扩展原语之Semaphore的用法详解的文章就介绍到这了,更多相关Go语言Semaphore内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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