一文搞懂啥是信号量 Semaphore？

发表于 1年以前 | 总阅读数：415 次

信号量是并发编程中常见的同步机制，在标准库的并发原语中使用频繁，比如 Mutex、WaitGroup 等，这些并发原语的实现都有信号量的影子，所以我们很有必要学好弄清楚信号量的实现原理，做到“知其然，更要知其所以然”，我们才能有更多的“武器”去应对实际面临的业务场景问题。

今天我们就来搞定信号量，通过这篇文章你能掌握：

信号量是什么？都有什么操作？
Go 官方是如何实现信号量的？
实际场景中如何使用信号量？
使用信号量应该注意哪些问题？
实现信号量的其他方式？

信号量是什么？都有什么操作？

维基百科上是这样解释信号量的：

信号量的概念是计算机科学家 Dijkstra （Dijkstra 算法的发明者）提出来的，广泛应用在不同的操作系统中。系统中，会给每一个进程一个信号量，代表每个进程当前的状态，未得到控制权的进程，会在特定的地方被迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。

下文用 G 代表 goroutine。

通俗点解释就是，信号量通常使用一个整型变量 S 表示一组资源，当 G 完成对此信号量的等待（wait）时，S 就减 1，当 G 完成对此信号量的释放（release）时，S 就加 1。当计数值为 0 的时候，G 调用 wait 等待该信号量会阻塞，除非 S 又大于 0，等待的 G 才会解除阻塞，成功返回。

举个例子，假如图书馆有 10 本《Go 语言编程之旅》，有 1 万个人都想读这本书，“僧多粥少”。所以，图书馆管理员先会让这 1 万个人进行登记，按照登记的顺序，借阅此书。如果书全部被借走，那么，其他想看此书的人就需要等待，如果有人还书了，图书馆管理员就会通知下一位同学来借阅这本书。这里的资源是《Go 语言编程之旅》这十本书，想读此书的同学就是 goroutine，图书管理员就是信号量。

从上面的解释中我们可以得知什么是信号量，其实信号量就是一种变量或者抽象数据类型，用于控制并发系统中多个进程对公共资源的访问，访问具有原子性。信号量主要分为两类：

计数信号量，上面说的图书馆借书的例子就是计数信号量，它的计数可以是任意一个正整数；
二值信号量，其实是一种特殊的计数信号量，其值只有 0 或 1，相当于互斥量，当值为 1 时资源可用，当值为 0 时，资源被锁住，进程阻塞无法继续执行；

PV 操作

信号量定义有两个操作 P 和 V，P 操作是减少信号量的计数值，而 V 操作是增加信号量的计数值。

通常初始化时，将信号量 S 指定数值为 n，就像是一个有 n 个资源的池子。P 操作相当于请求资源，如果资源可用，就立即返回；如果没有资源或者不够，那么，G 会阻塞等待。V 操作会释放持有的资源，把资源返还给信号量。

信号量的值除了初始化的操作以外，只能由 P/V 操作改变。

我们一般用信号量保护一组资源，比如数据库连接池、几个打印机资源等等。如果信号量蜕变成二值信号量，那么，它的 P/V 就和互斥锁的 Lock/Unlock 一样了。

信号量的实现-- 官方扩展包 Semaphore

在看 Go 源码时，我们经常能够看到下面这几个关于信号量的函数：

func runtime_Semacquire(s *uint32)
func runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int)
func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)

这几个函数就是信号量的 PV 操作，遗憾的是，它是 Go 运行时内部使用的，并没有封装暴露成一个对外的信号量并发原语，我们没有办法使用。不过没关系，Go 在它的扩展包中提供了信号量 semaphore，不过这个信号量的类型名并不叫 Semaphore，而是叫 Weighted。

这是一个带权重的信号量，接下来我们就重点分析一下这个库。

Weighted 的实现思路：使用互斥锁 + List 实现的。互斥锁实现其它字段的保护，而 List 实现了一个等待队列，等待者的通知是通过 Channel 的通知机制实现的。

Weighted 主要包括两个结构体和几个常用方法。

结构体

type Weighted struct {
 size    int64       // 最大资源个数，初始化的时候指定
 cur     int64      // 计数器，当前已使用资源数
 mu      sync.Mutex   // 互斥锁，对字段保护
 waiters list.List  // 等待者列表，当前处于阻塞等待的请求者 goroutine
}

每个字段的含义见代码注释，其中 waiters 存储的数据是 waiter 对象，waiter 数据结构如下：

type waiter struct {
 n     int64        // 调用者申请的资源数
 ready chan<- struct{}  // 当调用者可以获取到信号量资源时, close chan，调用者便会收到通知，成功返回
}

字段含义见注释。

这里提下初始化资源数方法 NewWeighted，很简单：

// 创建资源数为 n 的信号量
func NewWeighted(n int64) *Weighted {
 w := &Weighted{size: n}
 return w
}

方法

1.阻塞获取资源的方法 -- Acquire()，源码如下：

func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
 s.mu.Lock()
 // 有可用资源，直接返回
 if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 {
  s.cur += n
  s.mu.Unlock()
  return nil
 }

 // 程序执行到这里说明无足够资源使用

 if n > s.size {
  s.mu.Unlock()
  <-ctx.Done()
  return ctx.Err()
 }

 // 资源不足，构造 waiter，将其加入到等待队列
 // ready channel 用于通知阻塞的调用者有资源可用，由释放资源的 goroutine 负责 close，起到消息通知的作用
 ready := make(chan struct{})
 w := waiter{n: n, ready: ready}
 elem := s.waiters.PushBack(w)      // 加入到等待队列
 s.mu.Unlock()

 // 调用者陷入 select 阻塞，除非收到外部 ctx 的取消信号或者被通知有资源可用
 select {
 case <-ctx.Done():     // 收到外面的控制信号
  err := ctx.Err()
  s.mu.Lock()
  select {
  case <-ready:    // 再次确认是否可能是被唤醒的，如果被唤醒了则忽略控制信号，返回 nil 表示成功
   err = nil
  default:      // 收到控制信息且还没有获取到资源，就直接将原来添加的 waiter 删除掉
   isFront := s.waiters.Front() == elem     // 当前 waiter 是否是链表头元素
   s.waiters.Remove(elem)     // 删除 waiter
   if isFront && s.size > s.cur {    // 如果是链表头元素且有资源可用则尝试唤醒链表第一个等待的 waiter
    s.notifyWaiters()
   }
  }
  s.mu.Unlock()
  return err
 case <-ready:      // 消息通知，请求资源的 goroutine 被释放资源的 goroutine 唤醒了
  return nil
 }
}

详细说明可以看注释，Acquire() 相当于 P 操作，可以一次获取多个资源，如果没有足够多的资源，调用者就会被阻塞。可以通过第一个参数 Context 增加超时或者 cancel 的机制。如果正常获取了资源，就返回 nil；否则，就返回 ctx.Err()，信号量不改变。

2.非阻塞获取资源的方法 -- TryAcquire，源码如下：

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

这个方法比较简单，非阻塞地获取指定数量的资源，如果当前没有空闲资源，就直接返回 false。

3.通知等待者 notifyWaiters，源码如下：

func (s *Weighted) notifyWaiters() {
 for {
  next := s.waiters.Front()     // 获取队头元素
  if next == nil {        // 队列里没有元素
   break
  }

  w := next.Value.(waiter)
  if s.size-s.cur < w.n {       // 资源不满足请求者的要求
   break
  }

  s.cur += w.n              // 增加已用资源
  s.waiters.Remove(next)
  close(w.ready)         // 关闭 ready channel，用于通知调用者 goroutine 已经获取到资源，继续运行
 }
}

通过 for 循环从链表头部开始依次遍历链表中的所有 waiter，并更新计数器 weighted.cur，同时将其从链表中移除，直到遇到空闲资源小于 waiter.n 为止。

仔细分析，我们会发现，notifyWaiters 方法是按照 FIFO 方式唤醒调用者。这样做的目的是为了避免调用者出现“饿死”的情况，当释放 10 个资源的时候，如果第一个等待者需要 11 个资源，那么，队列中的所有等待者都会继续等待，即使有的等待者只需要 1 个资源，否则的话，资源可能总是被那些请求资源数小的调用者获取，这样一来，请求资源数巨大的调用者，就没有机会获得资源了。

4.释放占用的资源 -- Release()，源码如下：

func (s *Weighted) Release(n int64) {
 s.mu.Lock()
 s.cur -= n       // 释放占用资源数
 if s.cur < 0 {
  s.mu.Unlock()
  panic("semaphore: released more than held")
 }
 s.notifyWaiters()   // 唤醒等待请求资源的 goroutine
 s.mu.Unlock()
}

Release() 相当于 V 操作，可以将 n 个资源释放，返还给信号量。

怎么用？

现在我们知道了信号量的实现原理，针对实际业务场景中又该如何使用呢？我们举个 worker pool 的例子，也是官网提供的：考拉兹猜想。

“考拉兹猜想”说的是：对于每一个正整数，如果它是奇数，则对它乘 3 再加 1，如果它是偶数，则对它除以 2，如此循环，最终都能够得到 1。

我们的例子需要实现的是，对于给出的正整数，计算循环多少次之后能得到 1，代码如下：

func main() {
 var (
  maxWorkers = runtime.GOMAXPROCS(0)    // worker 数量
  sem        = semaphore.NewWeighted(int64(maxWorkers))  // 信号量
  out        = make([]int, 32)    // 任务数
 )
 ctx := context.TODO()

 for i := range out {
  if err := sem.Acquire(ctx, 1); err != nil {
   log.Printf("Failed to acquire semaphore: %v", err)
   break
  }

  go func(i int) {
   defer sem.Release(1)
   out[i] = collatzSteps(i + 1)
  }(i)
 }

 // 等待所有的任务执行完成，也可以通过 WaitGroup 实现
 if err := sem.Acquire(ctx, int64(maxWorkers)); err != nil {
  log.Printf("Failed to acquire semaphore: %v", err)
 }

 fmt.Println(out)
}

func collatzSteps(n int) (steps int) {
 if n <= 0 {
  panic("nonpositive input")
 }

 for ; n > 1; steps++ {
  if steps < 0 {
   panic("too many steps")
  }

  if n%2 == 0 {
   n /= 2
   continue
  }

  const maxInt = int(^uint(0) >> 1)
  if n > (maxInt-1)/3 {
   panic("overflow")
  }
  n = 3*n + 1
 }

 return steps
}

上面的代码创建数量与 CPU 核数相同的 worker，假设是 4，相当于池子里只有 4 个资源可用，每个 worker 处理完一个整数，才能处理下一个，相当于控制住了并发数量。

输出：

[0 1 7 2 5 8 16 3 19 6 14 9 9 17 17 4 12 20 20 7 7 15 15 10 23 10 111 18 18 18 106 5]

如何正确使用信号量？

阅读完源码之后，会发现使用 semaphore 过程中一不小心就会导致错误，比如：如果请求的资源数比最大的资源数还大，那么，调用者可能永远被阻塞；调用 Release() 方法时，可以传递任意的整数。但如果传递一个比请求到的数量大的错误的数值，程序就会 panic；如果传递一个负数，会导致资源永久被持有，等等。

使用时有哪些常犯的错误：