什么是信号量（Semaphore）？

信号量是一种用于线程同步的机制，允许多个线程同时访问一定数量的共享资源。信号量通过计数器来控制线程的访问量。

• 计数器含义：
  信号量的计数器表示可以被线程访问的共享资源数量：当一个线程获取信号量时，计数器减 1。当线程释放信号量时，计数器加 1。
• 信号量种类：二进制信号量（Binary Semaphore）： 计数器只有 0 和 1，类似于互斥锁。计数信号量（Counting Semaphore）： 计数器可以是任意非负值，用于限制对资源的并发访问。

信号量的作用

1. 控制访问数量：
   限制对共享资源的并发访问。例如，控制线程池的最大线程数、限制数据库连接的最大并发数等。
2. 实现同步：
   在线程间传递信号，确保某些操作完成后再执行后续操作。

如何使用信号量实现线程同步？

在 C# 中，信号量可以通过 Semaphore 或 SemaphoreSlim 类实现：

• Semaphore: 用于跨进程的信号量，较为重型。
• SemaphoreSlim: 仅适用于进程内的轻量级信号量，推荐用于大多数场景。

代码示例：限制线程访问共享资源

以下示例展示如何使用 SemaphoreSlim 限制线程并发访问共享资源的数量。

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(3); // 最大并发线程数为 3

    static void AccessResource(int threadNumber)
    {
        Console.WriteLine(#34;Thread {threadNumber} is waiting to access the resource...");
        semaphore.Wait(); // 获取信号量
        try
        {
            Console.WriteLine(#34;Thread {threadNumber} is accessing the resource.");
            Thread.Sleep(2000); // 模拟资源访问
        }
        finally
        {
            Console.WriteLine(#34;Thread {threadNumber} has released the resource.");
            semaphore.Release(); // 释放信号量
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 1; i <= 10; i++)
        {
            int threadNumber = i;
            new Thread(() => AccessResource(threadNumber)).Start();
        }

        Console.ReadLine();
    }
}

代码解析

1. 创建信号量：
2. private static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(3);
3. SemaphoreSlim(3) 指定信号量的初始计数为 3，表示最多允许 3 个线程同时访问资源。
4. 获取信号量：
5. semaphore.Wait();
6. 线程调用 Wait() 时，会尝试获取信号量：
7. 如果信号量计数器大于 0，则计数器减 1，线程进入临界区。
8. 如果计数器为 0，则线程阻塞等待。
9. 释放信号量：
10. semaphore.Release();
11. 线程完成任务后调用 Release()，信号量计数器加 1，其他等待的线程可以继续运行。
12. 并发限制： 即使我们创建了 10 个线程，但同时最多只有 3 个线程可以访问资源，其他线程需要等待。

信号量的应用场景

1. 数据库连接池： 限制同时连接到数据库的客户端数量。
2. 线程池管理： 控制线程池中同时运行的任务数量。
3. 文件访问： 防止多个线程同时写入文件导致数据不一致。
4. 资源分配： 如网络连接或硬件资源的限量使用。

小结

• 信号量的核心作用是控制对共享资源的并发访问。
• SemaphoreSlim 是轻量级的信号量实现，推荐用于进程内的线程同步。
• 在多线程编程中，信号量可以有效避免资源争用问题，同时灵活控制线程的并发量，提升程序稳定性和效率。