信號量Semaphore是C#中用于線程同步的機制，通過計數器控制對共享資源的訪問。Semaphore和SemaphoreSlim是兩種實現，前者內核級別，支持跨進程；后者用戶級別，性能更高。使用需注意配對獲取和釋放信號量。

前面對自旋鎖SpinLock進行了詳細學習，今天我們將學習另一個種同步機制——信號量Semaphore。

01、信號量是什么？

在 C# 中，信號量（Semaphore）是一種用于線程同步的機制，能夠控制對共享資源的訪問。它的工作原理是通過維護一個計數器來控制對資源的訪問次數。它常用于限制對共享資源（如數據庫連接池、文件系統、網絡資源等）的并發訪問。

1、信號量有三個核心概念：

1.計數：信號量的核心是一個計數器，表示當前資源的可用數量；

2.等待：當線程請求資源時，此次如果計數器大于0，則線程可以繼續執行，同時計數器減1；如果計數器等于0，則線程被阻塞直至其他線程釋放資源，即有線程增加計數器的值；

3.釋放：當線程使用完資源后，則需要釋放信號量，同時計數器加1，并喚醒其他等待的線程；

相信理解了信號量核心概念，其工作原理就不言而喻。

2、應用場景：

通過對信號量的工作原理了解，我們可以總結為：信號量就是為了控制對共享資源的訪問，保證共享資源不會被過度使用，因此可以引申出以下適用于信號量的場景：

1.控制各種連接池：限制同時打開各種資源的連接數量（比如連接打印機數量，數據庫連接數據，文件訪問數量）；

2.限制網絡請求：防止服務器過載，導致服務器崩潰；

3.協調多個線程的執行順序：通過信號量控制生成者和消費者之間的資源訪問, 實現生產者和消費者模型；

02、C#中的信號量實現

C#提供了兩種信號量類型：Semaphore和SemaphoreSlim。其中兩者功能基本相同,卻又有所不同，而SemaphoreSlim是更輕量、更快速的信號量實現。下面是兩種簡單比較：

Semaphore： 是基于系統內核實現，屬于內核級別同步，支持跨進程資源同步，因此性能較低，內存占用較大；它可以一次釋放多個信號量，但是沒有提供原生的異步支持；

SemaphoreSlim： 是用戶級別同步，并不依賴系統內核，因此不支持跨進程資源同步，因此性能更高，內存占用更低；它一次只能釋放一個信號量，但是提供了原生異步支持；

03、Semaphore使用示例

通過對信號量原理的詳細了解，而作為對信號量實現類Semaphore，這些原理也同樣適用，因此Semaphore類的構造函數就指定了用于控制線程數量的參數。其構造函數如下：

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

initialCount: 初始化信號量的計數，表示初始時可以同時訪問資源的線程數量。

maximumCount: 信號量的最大計數，表示允許同時訪問資源的最大線程數。

name: 可選的名稱，用于命名信號量對象（可在多個進程間共享信號量）。

然后可以用WaitOne方法獲取信號量，使用Release方法釋放信號量。

下面我們做一個小例子，創建一個初始化為2個線程的信號量Semaphore，然后啟動5個線程用來訪問信號量，并在獲取信號量之前、之后以及釋放信號量之前都加上日志，用來觀察線程被控制的過程。代碼如下：

public class SemaphoreExample
{
    //初始化最多2個線程同時進入, 最大允許3個線程
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2, 3);
    //用于不同的線程顯示不同的顏色，方便觀察結果
    private static ConsoleColor[] colors = new ConsoleColor[5]
    {
        ConsoleColor.Red,
        ConsoleColor.White,
        ConsoleColor.Yellow,
        ConsoleColor.Green,
        ConsoleColor.Blue
    };
    public static void Worker(object? i)
    {
        var id = (int)i;
        var color = colors[id];
        PrintText.SafeForegroundColor($"線程 {id} 等待進入...", color);
        //請求進入信號量（如果資源不可用，則返回）
        semaphore.WaitOne();
        PrintText.SafeForegroundColor($"線程 {id} 已 [ 進入 ] 同步代碼塊.", color);
        //業務處理
        Thread.Sleep(2000);
        PrintText.SafeForegroundColor($"線程 {id} 已 [ 離開 ] 同步代碼塊.", color);
        //釋放信號量（讓其他線程可以進入）
        semaphore.Release();
    }
}
public static void SemaphoreRun()
{
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        Thread t = new Thread(SemaphoreExample.Worker);
        t.Start(i);
    }
}

我們一起看看執行結果：

可以發現在紅框部分為所有線程初始化完成，同時只有兩個線程獲取到信號量，之后就是又一個信號量釋放成功，則緊跟著一個等待線程會立馬進入，直到所有線程處理完成。

到這里會有一個疑問，我們在初始化信號量Semaphore時，指定了最大允許3個線程可以同時進入，但是上面示例并沒有體現出來，這是為什么呢？

這是因為在信號量的生命周期中，maximumCount參數并不會直接改變信號量的當前可用資源數量，而是限制并發線程數的最大值。因此如果要想看到效果，則需要經過特殊處理才行，比如我們在上面的代碼中釋放信號量時，我們執行兩次釋放操作，但是這樣會導致最后釋放操作報SemaphoreFullException異常，因此要注意獲取和釋放信號量操作要配對，這里僅僅為了演示，執行結果如下：

可以看到maximumCount最大訪問線程數生效了。

04、Semaphore使用注意事項

1.確保每個調用 WaitOne方法 的線程最終都會調用 Release方法。否則，可能會導致死鎖。

2.確保Release方法的調用次數不應超過 WaitOne方法的調用次數，否則會拋出 SemaphoreFullException異常

3.如果單進程程序盡量選擇SemaphoreSlim，因為SemaphoreSlim性能更好。

4.如果需要跨進程同步可以使用帶名稱的構造函數 Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string name)。

注：測試方法代碼以及示例源碼都已經上傳至代碼庫，有興趣的可以看看。https://gitee.com/hugogoos/Planner