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什么是信号量？

在 C# 中，信号量（Semaphore）是一种用于线程同步的机制，能够控制对共享资源的访问。它的工作原理是通过维护一个计数器来控制对资源的访问次数。它常用于限制对共享资源（如数据库连接池、文件系统、网络资源等）的并发访问。

信号量理解起来有三点核心要素：

计数：信号量的核心是一个计数器，表示当前资源的可用数量；即总资源数-正在被使用资源数=剩余可用数量。
等待：当线程请求资源时，此次如果计数器大于0，则线程可以继续执行，同时计数器减1；如果计数器等于0，则线程被阻塞直至其他线程释放资源，即有线程增加计数器的值；
释放：当线程使用完资源后，则需要释放信号量，同时计数器加1，并唤醒其他等待的线程；

通过信号量的定义和核心要素，以及实现原理，可以推断出它的应用场景，就是控制对共享临界资源的使用，避免出现过度使用资源的现象出现。

在.NET开发中，基于C#语言，有两种信号量实现方式，具体如下所示：

Semaphore：是基于系统内核实现，属于内核级别同步，支持跨进程资源同步，因此性能较低，内存占用较大；它可以一次释放多个信号量，但是没有提供原生的异步支持；
SemaphoreSlim：是用户级别同步，并不依赖系统内核，因此不支持跨进程资源同步，因此性能更高，内存占用更低；它一次只能释放一个信号量，但是提供了原生异步支持；

具体对比如下图所示：

Semaphore实例

Semaphore主要方法有以下几个：

构造方法，Semaphore提供在构造方法有3个，可以根据需要用来设置初始信号数量，最大信号数量，信号量名称，out修饰的是否创建新的信号。如果不需要跨进程，则采集两个默认两个参数在构造函数即可。
WaitOne，等待方法用于等待一个信号，此方法接收一个参数用于设置超时时间，它返回一个bool值，true表示接收到信号，false表示没有接收到信号。
Release，释放资源方法，默认释放一个资源的占用。此方法接收一个参数用于设置释放占用资源的数量。

应用示例：定义一个共享资源信号量，同一时刻允许2个线程使用，最大线程数量为5，则采用默认构造函数并指定初始值，最大值即可，如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{public class Test{private readonly Semaphore semaphore;public Test(){semaphore = new Semaphore(2, 5);}/// <summary>/// Work/// </summary>/// <param name="id"></param>public void Work(int id){try{Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");semaphore.WaitOne();Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");//do somethingThread.Sleep(3000);}catch{throw;}finally{Console.WriteLine($"id = {id} 离开了working area.");semaphore.Release();}}}
}

当我们创建5个线程，同时调用资源时，也只允许同一时刻2个线程使用，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{class Program{static void Main(string[] args){Console.WriteLine("Hello, World!");Test test = new Test();for (int i = 0; i < 5; i++){int id = i;Task.Run(() =>{test.Work(id);});}Console.ReadKey();}}
}

运行实例，效果如下所示：

命名信号量

Semaphore是内核级别同步，在构造函数中，可以为信号量指定名称，这样就可以跨进程获取信号量，并进行操作。如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{public class Test3{private readonly Semaphore semaphore;public Test3(){semaphore = new Semaphore(1, 1,"okcoder");}/// <summary>/// Work/// </summary>/// <param name="id"></param>public void Work(int id){Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");semaphore.WaitOne();Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");}}
}

同样运行5个线程调用方法，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{class Program{static void Main(string[] args){Console.WriteLine("Hello, World!");Test3 test = new Test3();for (int i = 0; i < 5; i++){int id = i;Task.Run(() =>{test.Work(id);});}Console.ReadKey();}}
}

在上述示例中，指定了一个初始信号数量为1，最大信号量为1，名称为okcoder的信号量，接下在另外一个程序中通过Semaphore.OpenExisting方法进行获取信号量，并操作信号量的释放，如下所示：

using System;namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements2
{class Program{static void Main(string[] args){Console.WriteLine("输入回车键，释放信号量");Semaphore semaphore = Semaphore.OpenExisting("okcoder");for (int i = 0; i < 5; i++){if (Console.ReadKey().Key == ConsoleKey.Enter){semaphore.Release();Console.WriteLine("释放一个信号量");}}Console.WriteLine("信号量已释放完成，按任意键退出");Console.ReadKey();}}
}

运行实例如下所示：

在上述示例中，每输入一个Enter键，就释放一个信号量，原进程就允许进入一个资源，说明Semaphore可以被跨进程获取和操作，进而证明它是系统内核级别的同步。

SemaphoreSlim实例

SemaphoreSlim是Semaphore的一个轻量级实现，它是用户级别的，它允许在同一个进程内各线程之间进行资源的同步。SemaphoreSlim只需要指定初始线程数量，最大线程数量即可，不需要指定信号量的名称。

SemaphoreSlim主要方法有以下几个：

构造方法，SemaphoreSlim提供在构造方法有2个，可以根据需要用来设置初始信号数量，最大信号数量。
Wait，等待方法用于等待一个信号，此方法接收一个参数用于设置超时时间，它返回一个bool值，true表示接收到信号，false表示没有接收到信号。
WaitAsync，支持Wait信号的异步调用。
Release，释放资源方法，默认释放一个资源的占用。此方法接收一个参数用于设置释放占用资源的数量。

说明：如果不需要跨进程处理资源同步的时候，SemaphoreSlim才是最佳选择。

应用示例：定义一个共享资源信号量，同一时刻允许2个线程使用，最大线程数量为5，则采用默认构造函数并指定初始值，最大值即可，如下所示：

namespace Okcoder.DemoSemaphore
{public class Test2{private readonly SemaphoreSlim semaphoreSlim;public Test2(){semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(2, 5);}/// <summary>/// Work/// </summary>/// <param name="id"></param>public void Work(int id){try{Console.WriteLine($"id = {id} 正在等待进入 working area.");semaphoreSlim.Wait();Console.WriteLine($"id = {id} 进入了working area.");//do somethingThread.Sleep(3000);}catch{throw;}finally{Console.WriteLine($"id = {id} 离开了working area.");semaphoreSlim.Release();}}}
}

当我们创建5个线程，同时调用资源时，也只允许同一时刻2个线程使用，如下所示：

using Okcoder.DemoSemaphore;
using System;namespace ConsoleAppWithoutTopLevelStatements
{class Program{static void Main(string[] args){Console.WriteLine("Hello, World!");Test2 test = new Test2();for (int i = 0; i < 5; i++){int id = i;Task.Run(() =>{test.Work(id);});}Console.ReadKey();}}
}

运行实例，效果如下所示：