C# 信号量（Semaphore）详细使用案例

简介

在C#中，信号量（Semaphore）是.NET框架提供的一个同步类，位于System.Threading命名空间下，用于控制并发访问特定资源的线程数量。它是一种更灵活的线程同步机制，通过维护一个计数器来管理资源的可用性。

信号量的工作原理

初始化时，可以指定一个初始计数值，这个值表示可以同时访问共享资源的线程数。

• 当线程调用WaitOne()方法时，如果信号量计数器大于0，则计数器减1，并允许线程继续执行；若计数器为0，则线程被阻塞并等待其他线程释放信号量。
• 通过调用Release()方法，可以增加信号量的计数值，从而允许一个或多个等待中的线程获取信号量并继续执行。

使用场景

1. 资源池管理：例如，限制数据库连接池中同时活动的连接数，以防止过多连接导致系统过载。
2. 互斥锁（Mutex）替代：当信号量初始化为1时，它相当于一个互斥锁，确保同一时间只有一个线程能访问临界区。
3. 多线程同步：对于可同时由多个线程使用的有限资源，如许可、通道容量等，可以通过设置适当的信号量计数值来协调多个线程的并发访问。

使用示例

using System.Threading;

// 创建一个最多允许5个线程同时访问的信号量
Semaphore semaphore = new Semaphore(5, 5); // 第一个参数是初始信号量，第二个参数是最大信号量

void AccessResource()
{
    // 尝试获取信号量
    semaphore.WaitOne();

    try
    {
        // 这里是临界区，只有拿到信号量的线程才能进入
        // 执行对共享资源的操作...
    }
    finally
    {
        // 资源操作完毕后，释放信号量
        semaphore.Release();
    }
}

// 在多个线程中调用AccessResource()函数
// ...

在上述代码中，Semaphore(5, 5)创建了一个信号量，初始和最大并发访问数均为5。当超过5个线程尝试访问资源时，额外的线程将会阻塞直到有其他线程完成操作并释放信号量。每个成功获取信号量的线程在完成资源访问后都会调用Release()将信号量递增，以便后续线程继续访问。

其他使用实例

1. 数据库连接池管理

Semaphore connectionSemaphore = new Semaphore(10, 10); // 最多允许10个并发连接

void ExecuteQuery()
{
    connectionSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        var connection = GetDatabaseConnection(); // 获取数据库连接
        // 执行SQL查询...
    }
    finally
    {
        ReleaseDatabaseConnection(connection); // 释放数据库连接
        connectionSemaphore.Release();
    }
}

// 多线程环境下，多个线程调用ExecuteQuery()函数执行数据库操作

2. 文件读写同步

Semaphore fileSemaphore = new Semaphore(1, 1); // 文件操作为互斥，同一时间仅允许一个线程访问

void WriteToFile(string content)
{
    fileSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        using (var writer = new StreamWriter("file.txt"))
        {
            writer.WriteLine(content);
        }
    }
    finally
    {
        fileSemaphore.Release();
    }
}

// 多线程环境下，同时写入文件但不会产生数据混乱

3. 生产者消费者问题

Semaphore bufferSemaphore = new Semaphore(10, 10); // 缓冲区大小为10

void Producer()
{
    var item = CreateItem();
    bufferSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        Buffer.Add(item); // 将产品放入缓冲区
    }
    finally
    {
        bufferSemaphore.Release();
    }
}

void Consumer()
{
    bufferSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        var item = Buffer.Take(); // 从缓冲区取出产品进行消费
        Consume(item);
    }
    finally
    {
        bufferSemaphore.Release();
    }
}

// 生产者和消费者线程通过信号量控制对缓冲区的存取操作

4. 打印任务队列同步

Semaphore printerSemaphore = new Semaphore(1, 1); // 打印机为独占资源

void PrintJob()
{
    printerSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        SendToPrinter(JobQueue.Dequeue()); // 从打印任务队列中取出并发送打印任务
    }
    finally
    {
        printerSemaphore.Release();
    }
}

// 多线程环境下，打印机按顺序处理打印任务，避免任务冲突

5. Web服务器并发请求限制

Semaphore requestSemaphore = new Semaphore(100, 100); // 同时处理的最大请求数为100

async Task HandleHttpRequest(HttpRequest request)
{
    requestSemaphore.WaitOne();
    try
    {
        await ProcessRequestAsync(request); // 处理HTTP请求
    }
    finally
    {
        requestSemaphore.Release();
    }
}

// Web服务器使用信号量限制同时处理的并发请求数量，防止过多请求导致系统过载

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