## 什么是信号量 信号量是并发编程中常见的一种同步机制，在需要**控制访问资源的线程数量**时就会用到信号量 如果信号量是一个任意的整数，通常被称为计数信号量（Counting semaphore），或一般信号量（general semaphore）；如果信号量只有二进制的0或1，称为二进制信号量（binary semaphore）。在linux系统中，二进制信号量（binary semaphore）又称互斥锁（Mutex） 计数信号量具备两种操作动作，称为V（signal()）与P（wait()）。V操作会增加信号量S的数值，P操作会减少它。 运行方式： 初始化信号量，给与它一个非负数的整数值。 运行P（ wait()），信号量S的值将被减少。企图进入临界区的进程，需要先运行P（wait()）。当信号量S减为负值时，进程会被阻塞住，不能继续；当信号量S不为负值时，进程可以获准进入临界区。 运行V（signal()），信号量S的值会被增加。结束离开临界区的进程，将会运行V（signal()）。当信号量S不为负值时，先前被阻塞住的其他进程，将可获准进入临界区。 我们一般用信号量保护一组资源，比如数据库连接池、一组客户端的连接等等。每次获取资源时都会将信号量中的计数器减去对应的数值，在释放资源时重新加回来。当遇到信号量资源不够时尝试获取的线程就会进入休眠，等待其他线程释放归还信号量。如果信号量是只有0和1的二进位信号量，那么，它的 P/V 就和互斥锁的 Lock/Unlock 一样了。 ## Go语言中的信号量表示 Go 内部使用信号量来控制goroutine的阻塞和唤醒，比如互斥锁sync.Mutex结构体定义的第二个字段就是一个信号量。 type Mutex struct { state int32 sema uint32 } 信号量的PV操作在Go内部是通过下面这几个底层函数实现的 > func runtime_Semacquire(s *uint32) > func runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int) > func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int) 上面几个函数都是Go语言内部使用的，我们不能在编程时直接使用。不过Go 语言的扩展并发原语包中提供了带权重的信号量 semaphore.Weighted 使用信号量前，需先在项目里安装golang.org/x/sync/包 安装方法： ``` go get -u golang.org/x/sync ``` 我们可以按照不同的权重对资源的访问进行管理，这个结构体对外提供了四个方法： semaphore.NewWeighted 用于创建新的信号量，通过参数(n int64) 指定信号量的初始值。 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，就会陷入休眠等待；相当于 P 操作，你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。它的第一个参数是 Context，这就意味着，你可以通过 Context 增加超时或者 cancel 的机制。如果是正常获取了资源，就返回 nil；否则，就返回 ctx.Err()，信号量不改变。 semaphore.Weighted.Release 用于释放指定权重的资源；相当于 V 操作，可以将 n 个资源释放，返还给信号量。 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，就会直接返回 false； ## 在Go编程里使用信号量 在实际应用Go语言开发程序时，有哪些场景适合使用信号量呢？ 在需要控制访问资源的线程数量时就会需要信号量。 假设我们有一组要抓取的页面，资源有限最多允许我们同时执行三个抓取任务，当同时有三个抓取任务在执行时，在执行完一个抓取任务后才能执行下一个排队等待的任务。当然这个问题用Channel也能解决，不过这次我们使用Go提供的信号量原语来解决这个问题，代码如下： ``` package main import ( "context" "fmt" "sync" "time" "golang.org/x/sync/semaphore" ) func doSomething(u string) {// 模拟抓取任务的执行 fmt.Println(u) time.Sleep(2 * time.Second) } const ( Limit = 3 // 同時并行运行的goroutine上限 Weight = 1 // 每个goroutine获取信号量资源的权重 ) func main() { urls := []string{ "http://www.example.com", "http://www.example.net", "http://www.example.net/foo", "http://www.example.net/bar", "http://www.example.net/baz", } s := semaphore.NewWeighted(Limit) var w sync.WaitGroup for _, u := range urls { w.Add(1) go func(u string) { s.Acquire(context.Background(), Weight) doSomething(u) s.Release(Weight) w.Done() }(u) } w.Wait() fmt.Println("All Done") } ``` # Go语言信号量的实现原理 Go语言扩展库中的信号量是使用互斥锁和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。 信号量的数据结构 我们来看一下信号量semaphore.Weighted的数据结构： type Weighted struct { size int64 // 最大资源数 cur int64 // 当前已被使用的资源 mu sync.Mutex // 互斥锁，对字段的保护 waiters list.List // 等待队列 } size字段用来记录信号量拥有的最大资源数。 cur标识当前已被使用的资源数。 mu是一个互斥锁用来提供对其他字段的临界区保护。 waiters表示申请资源时由于可使用资源不够而陷入阻塞等待的调用者列表。 Acquire请求信号量资源 Acquire方法会监控资源是否可用，而且还要检测传递进来的context.Context对象是否发送了超时过期或者取消的信号，我们来看一下它的代码实现： ``` func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error { s.mu.Lock() // 如果恰好有足够的资源，也没有排队等待获取资源的goroutine， // 将cur加上n后直接返回 if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 { s.cur += n s.mu.Unlock() return nil } // 请求的资源数大于能提供的最大的资源数 // 这个任务处理不了，走错误处理逻辑 if n > s.size { s.mu.Unlock() // 依赖ctx的状态返回，否则一直等待 <-ctx.Done() return ctx.Err() } // 现存资源不够, 需要把调用者加入到等待队列中 // 创建了一个ready chan,以便被通知唤醒 ready := make(chan struct{}) w := waiter{n: n, ready: ready} elem := s.waiters.PushBack(w) s.mu.Unlock() // 等待 select { case <-ctx.Done(): // context的Done被关闭 err := ctx.Err() s.mu.Lock() select { case <-ready: // 如果被唤醒了，忽略ctx的状态 err = nil default: // 通知waiter isFront := s.waiters.Front() == elem s.waiters.Remove(elem) // 通知其它的waiters,检查是否有足够的资源 if isFront && s.size > s.cur { s.notifyWaiters() } } s.mu.Unlock() return err case <-ready: // 等待者被唤醒了 return nil } } ``` 如果调用者请求不到信号量的资源就会被加入等待者列表里，这里等待者列表的结构体定义是： type waiter struct { n int64 ready chan<- struct{} // 当调用者可以获取到信号量资源时, close调这个chan } 包含了两个字段，调用者请求的资源数，以及一个ready 通道。ready通道会在调用者可以被重新唤醒的时候被close调，从而起到通知正在阻塞读取ready通道的等待者的作用。 NotifyWaiters 通知等待者 notifyWaiters方法会逐个检查队列里等待的调用者，如果现存资源够等待者请求的数量n，或者是没有等待者了，就返回： ``` func (s *Weighted) notifyWaiters() { for { next := s.waiters.Front() if next == nil { break // 没有等待者了，直接返回 } w := next.Value.(waiter) if s.size-s.cur < w.n { // 如果现有资源不够队列头调用者请求的资源数，就退出所有等待者会继续等待 // 这里还是按照先入先出的方式处理是为了避免饥饿 break } s.cur += w.n s.waiters.Remove(next) close(w.ready) } } ``` notifyWaiters方法是按照先入先出的方式唤醒调用者。当释放 100 个资源的时候，如果第一个等待者需要 101 个资源，那么，队列中的所有等待者都会继续等待，即使队列后面有的等待者只需要 1 个资源。这样做的目的是避免饥饿，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。 Release归还信号量资源 Release方法就很简单了，它将当前计数值减去释放的资源数 n，并调用notifyWaiters方法，尝试唤醒等待队列中的调用者，看是否有足够的资源被获取。 ``` func (s *Weighted) Release(n int64) { s.mu.Lock() s.cur -= n if s.cur < 0 { s.mu.Unlock() panic("semaphore: released more than held") } s.notifyWaiters() s.mu.Unlock() } ``` # 总结 在Go语言中信号量有时候也会被Channel类型所取代，因为一个 buffered chan 也可以代表 n 个资源。不过既然Go语言通过golang.orgx/sync扩展库对外提供了semaphore.Weight这一种信号量实现，遇到使用信号量的场景时还是尽量使用官方提供的实现。在使用的过程中我们需要注意以下的几个问题： Acquire 和 TryAcquire方法都可以用于获取资源，前者会阻塞地获取信号量。后者会非阻塞地获取信号量，如果获取不到就返回false。 Release归还信号量后，会以先进先出的顺序唤醒等待队列中的调用者。如果现有资源不够处于等待队列前面的调用者请求的资源数，所有等待者会继续等待。 如果一个goroutine申请较多的资源，由于上面说的归还后唤醒等待者的策略，它可能会等待比较长的时间。