Go官方设计了一个信号量库

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前言

asongGogoroutine

何为信号量

要想知道一个东西是什么，我都爱去百度百科上搜一搜，输入"信号量"，这答案不就来了。

百度百科解释：

信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是[多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。为了完成这个过程，需要创建一个信号量VI，然后将Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分别放置在每个关键代码段的首末端。确认这些信号量VI引用的是初始创建的信号量。

通过这段解释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：

信号量工作原理

PV

P原语：P是荷兰语Proberen(测试)的首字母。为阻塞原语，负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源(把信号量减1)，若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；
V原语：V是荷兰语Verhogen(增加)的首字母。为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源(把信号量加1)，如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。

在信号量进行PV操作时都为原子操作，并且在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

PV原语对信号量的操作可以分为三种情况：

把信号量视为某种类型的共享资源的剩余个数，实现对一类共享资源的访问
把信号量用作进程间的同步
视信号量为一个加锁标志，实现对一个共享变量的访问

GoSemaphore

Semaphore

Go

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

PVGo

安装方法：go get -u golang.org/x/sync

数据结构

type Weighted struct {
 size    int64 // 设置一个最大权值
 cur     int64 // 标识当前已被使用的资源数
 mu      sync.Mutex // 提供临界区保护
 waiters list.List // 阻塞等待的调用者列表
}

semaphoreWeighted4

sizeWeightedcurmuwaiterswaiterwaiter

type waiter struct {
 n     int64 // 等待调用者权重值
 ready chan<- struct{} // close channel就是唤醒
}

这里只有两个字段：

nreadychannelchannelclose

semaphoreWeighted

// NewWeighted为并发访问创建一个新的加权信号量，该信号量具有给定的最大权值。
func NewWeighted(n int64) *Weighted {
 w := &Weighted{size: n}
 return w
}

Acquire

先直接看代码吧：

func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
 s.mu.Lock() // 加锁保护临界区
 // 有资源可用并且没有等待获取权值的goroutine
 if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 {
  s.cur += n // 加权
  s.mu.Unlock() // 释放锁
  return nil
 }
 // 要获取的权值n大于最大的权值了
 if n > s.size {
  // 先释放锁，确保其他goroutine调用Acquire的地方不被阻塞
  s.mu.Unlock()
  // 阻塞等待context的返回
  <-ctx.Done()
  return ctx.Err()
 }
 // 走到这里就说明现在没有资源可用了
 // 创建一个channel用来做通知唤醒
 ready := make(chan struct{})
 // 创建waiter对象
 w := waiter{n: n, ready: ready}
 // waiter按顺序入队
 elem := s.waiters.PushBack(w)
 // 释放锁，等待唤醒，别阻塞其他goroutine
 s.mu.Unlock()

 // 阻塞等待唤醒
 select {
 // context关闭
 case <-ctx.Done():
  err := ctx.Err() // 先获取context的错误信息
  s.mu.Lock()
  select {
  case <-ready:
   // 在context被关闭后被唤醒了，那么试图修复队列，假装我们没有取消
   err = nil
  default:
   // 判断是否是第一个元素
   isFront := s.waiters.Front() == elem
   // 移除第一个元素
   s.waiters.Remove(elem)
   // 如果是第一个元素且有资源可用通知其他waiter
   if isFront && s.size > s.cur {
    s.notifyWaiters()
   }
  }
  s.mu.Unlock()
  return err
 // 被唤醒了
 case <-ready:
  return nil
 }
}

注释已经加到代码中了，总结一下这个方法主要有三个流程：

func main()  {
 s := semaphore.NewWeighted(3)
 ctx,cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second * 2)
 defer cancel()

 for i :=0; i < 3; i++{
   if i != 0{
    go func(num int) {
     if err := s.Acquire(ctx,3); err != nil{
      fmt.Printf("goroutine： %d, err is %s\n", num, err.Error())
      return
     }
     time.Sleep(2 * time.Second)
     fmt.Printf("goroutine： %d run over\n",num)
     s.Release(3)

    }(i)
   }else {
    go func(num int) {
     ct,cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second * 3)
     defer cancel()
     if err := s.Acquire(ct,3); err != nil{
      fmt.Printf("goroutine： %d, err is %s\n", num, err.Error())
      return
     }
     time.Sleep(3 * time.Second)
     fmt.Printf("goroutine： %d run over\n",num)
     s.Release(3)
    }(i)
   }

 }
 time.Sleep(10 * time.Second)
}

TryAcquire

func (s *Weighted) TryAcquire(n int64) bool {
 s.mu.Lock() // 加锁
 // 有资源可用并且没有等待获取资源的goroutine
 success := s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0
 if success {
  s.cur += n
 }
 s.mu.Unlock()
 return success
}

ntruefalse

释放权重

func (s *Weighted) Release(n int64) {
 s.mu.Lock()
 // 释放资源
 s.cur -= n
 // 释放资源大于持有的资源，则会发生panic
 if s.cur < 0 {
  s.mu.Unlock()
  panic("semaphore: released more than held")
 }
 // 通知其他等待的调用者
 s.notifyWaiters()
 s.mu.Unlock()
}

这里就是很常规的操作，主要就是资源释放，同时进行安全性判断，如果释放资源大于持有的资源，则会发生panic。

waiter

AcquireReleasenotifyWaiters

func (s *Weighted) notifyWaiters() {
 for {
  // 获取等待调用者队列中的队员
  next := s.waiters.Front()
  // 没有要通知的调用者了
  if next == nil {
   break // No more waiters blocked.
  }

  // 断言出waiter信息
  w := next.Value.(waiter)
  if s.size-s.cur < w.n {
   // 没有足够资源为下一个调用者使用时，继续阻塞该调用者，遵循先进先出的原则，
   // 避免需要资源数比较大的waiter被饿死
   //
   // 考虑一个场景，使用信号量作为读写锁，现有N个令牌，N个reader和一个writer
   // 每个reader都可以通过Acquire（1）获取读锁，writer写入可以通过Acquire（N）获得写锁定
   // 但不包括所有的reader，如果我们允许reader在队列中前进，writer将会饿死-总是有一个令牌可供每个reader
   break
  }

  // 获取资源
  s.cur += w.n
  // 从waiter列表中移除
  s.waiters.Remove(next)
  // 使用channel的close机制唤醒waiter
  close(w.ready)
 }
}

waiter

Semaphore

Semaphore

SemaphoreerrgroupSemaphoregoroutineerrgroup

const (
 limit = 2
) 

func main()  {
 serviceName := []string{
  "cart",
  "order",
  "account",
  "item",
  "menu",
 }
 eg,ctx := errgroup.WithContext(context.Background())
 s := semaphore.NewWeighted(limit)
 for index := range serviceName{
  name := serviceName[index]
  if err := s.Acquire(ctx,1); err != nil{
   fmt.Printf("Acquire failed and err is %s\n", err.Error())
   break
  }
  eg.Go(func() error {
   defer s.Release(1)
   return callService(name)
  })
 }

 if err := eg.Wait(); err != nil{
  fmt.Printf("err is %s\n", err.Error())
  return
 }
 fmt.Printf("run success\n")
}

func callService(name string) error {
 fmt.Println("call ",name)
 time.Sleep(1 * time.Second)
 return nil
}

结果如下：

call  order
call  cart
call  account
call  item
call  menu
run success

总结

GoSemaphorechannelSemaphorechannel+syncgoroutinegoroutinegoroutinesemaphoregoroutine

githubstar

asong

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