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16 | Semaphore：一篇文章搞懂信号量
你好，我是鸟窝。
在前面的课程里，我们学习了标准库的并发原语、原子操作和Channel，掌握了这些，你就可以解决80%的并发编程问题了。但是，如果你要想进一步提升你的并发编程能力，就需要学习一些第三方库。
所以，在接下来的几节课里，我会给你分享Go官方或者其他人提供的第三方库，这节课我们先来学习信号量，信号量（Semaphore）是用来控制多个goroutine同时访问多个资源的并发原语。
信号量是什么？都有什么操作？
信号量的概念是荷兰计算机科学家Edsger Dijkstra在1963年左右提出来的，广泛应用在不同的操作系统中。在系统中，会给每一个进程一个信号量，代表每个进程目前的状态。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。
最简单的信号量就是一个变量加一些并发控制的能力，这个变量是0到n之间的一个数值。当goroutine完成对此信号量的等待（wait）时，该计数值就减1，当goroutine完成对此信号量的释放（release）时，该计数值就加1。当计数值为0的时候，goroutine调用wait等待该信号量是不会成功的，除非计数器又大于0，等待的goroutine才有可能成功返回。
更复杂的信号量类型，就是使用抽象数据类型代替变量，用来代表复杂的资源类型。实际上，大部分的信号量都使用一个整型变量来表示一组资源，并没有实现太复杂的抽象数据类型，所以你只要知道有更复杂的信号量就行了，我们这节课主要是学习最简单的信号量。
说到这儿呢，我想借助一个生活中的例子，来帮你进一步理解信号量。
举个例子，图书馆新购买了10本《Go并发编程的独家秘籍》，有1万个学生都想读这本书，“僧多粥少”。所以，图书馆管理员先会让这1万个同学进行登记，按照登记的顺序，借阅此书。如果书全部被借走，那么，其他想看此书的同学就需要等待，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并发编程的独家秘籍》这十本书，想读此书的同学就是goroutine，图书管理员就是信号量。
怎么样，现在是不是很好理解了？那么，接下来，我们来学习下信号量的P/V操作。
P/V操作
Dijkstra在他的论文中为信号量定义了两个操作P和V。P操作（descrease、wait、acquire）是减少信号量的计数值，而V操作（increase、signal、release）是增加信号量的计数值。
使用伪代码表示如下（中括号代表原子操作）：
function V(semaphore S, integer I):
[S ← S + I]
function P(semaphore S, integer I):
repeat:
[if S ≥ I:
S ← S − I
break]
可以看到，初始化信号量S有一个指定数量（n）的资源，它就像是一个有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，它可以不断尝试或者阻塞等待。V操作会释放自己持有的资源，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。
现在，我们来总结下信号量的实现。
- 初始化信号量：设定初始的资源的数量。
- P操作：将信号量的计数值减去1，如果新值已经为负，那么调用者会被阻塞并加入到等待队列中。否则，调用者会继续执行，并且获得一个资源。
- V操作：将信号量的计数值加1，如果先前的计数值为负，就说明有等待的P操作的调用者。它会从等待队列中取出一个等待的调用者，唤醒它，让它继续执行。
讲到这里，我想再稍微说一个题外话，我们在第2讲提到过饥饿，就是说在高并发的极端场景下，会有些goroutine始终抢不到锁。为了处理饥饿的问题，你可以在等待队列中做一些“文章”。比如实现一个优先级的队列，或者先入先出的队列，等等，保持公平性，并且照顾到优先级。
在正式进入实现信号量的具体实现原理之前，我想先讲一个知识点，就是信号量和互斥锁的区别与联系，这有助于我们掌握接下来的内容。
其实，信号量可以分为计数信号量（counting semaphore）和二进位信号量（binary semaphore）。刚刚所说的图书馆借书的例子就是一个计数信号量，它的计数可以是任意一个整数。在特殊的情况下，如果计数值只能是0或者1，那么，这个信号量就是二进位信号量，提供了互斥的功能（要么是0，要么是1），所以，有时候互斥锁也会使用二进位信号量来实现。
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、几个打印机资源，等等。如果信号量蜕变成二进位信号量，那么，它的P/V就和互斥锁的Lock/Unlock一样了。
有人会很细致地区分二进位信号量和互斥锁。比如说，有人提出，在Windows系统中，互斥锁只能由持有锁的线程释放锁，而二进位信号量则没有这个限制（Stack Overflow上也有相关的讨论）。实际上，虽然在Windows系统中，它们的确有些区别，但是对Go语言来说，互斥锁也可以由非持有的goroutine来释放，所以，从行为上来说，它们并没有严格的区别。
我个人认为，没必要进行细致的区分，因为互斥锁并不是一个很严格的定义。实际在遇到互斥并发的问题时，我们一般选用互斥锁。
好了，言归正传，刚刚我们掌握了信号量的含义和具体操作方式，下面，我们就来具体了解下官方扩展库的实现。
Go官方扩展库的实现
在运行时，Go内部使用信号量来控制goroutine的阻塞和唤醒。我们在学习基本并发原语的实现时也看到了，比如互斥锁的第二个字段：
type Mutex struct {
state int32
sema uint32
}
信号量的P/V操作是通过函数实现的：
func runtime_Semacquire(s *uint32)
func runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int)
func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)
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，原则上我们没有办法使用。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。
之所以叫做Weighted，我想，应该是因为可以在初始化创建这个信号量的时候设置权重（初始化的资源数），其实我觉得叫Semaphore或许会更好。
我们来分析下这个信号量的几个实现方法。
- Acquire方法：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。
- Release方法：相当于V操作，可以将n个资源释放，返还给信号量。
- TryAcquire方法：尝试获取n个资源，但是它不会阻塞，要么成功获取n个资源，返回true，要么一个也不获取，返回false。
知道了信号量的实现方法，在实际的场景中，我们应该怎么用呢？我来举个Worker Pool的例子，来帮助你理解。
我们创建和CPU核数一样多的Worker，让它们去处理一个4倍数量的整数slice。每个Worker一次只能处理一个整数，处理完之后，才能处理下一个。
当然，这个问题的解决方案有很多种，这一次我们使用信号量，代码如下：
var (
maxWorkers = runtime.GOMAXPROCS(0) // worker数量
sema = semaphore.NewWeighted(int64(maxWorkers)) //信号量
task = make([]int, maxWorkers*4) // 任务数，是worker的四倍
)
func main() {
ctx := context.Background()
for i := range task {
// 如果没有worker可用，会阻塞在这里，直到某个worker被释放
if err := sema.Acquire(ctx, 1); err != nil {
break
}
// 启动worker goroutine
go func(i int) {
defer sema.Release(1)
time.Sleep(100 * time.Millisecond) // 模拟一个耗时操作
task[i] = i + 1
}(i)
}
// 请求所有的worker,这样能确保前面的worker都执行完
if err := sema.Acquire(ctx, int64(maxWorkers)); err != nil {
log.Printf("获取所有的worker失败: %v", err)
}
fmt.Println(task)
}
在这段代码中，main goroutine相当于一个dispatcher，负责任务的分发。它先请求信号量，如果获取成功，就会启动一个goroutine去处理计算，然后，这个goroutine会释放这个信号量（有意思的是，信号量的获取是在main goroutine，信号量的释放是在worker goroutine中），如果获取不成功，就等到有信号量可以使用的时候，再去获取。
需要提醒你的是，其实，在这个例子中，还有一个值得我们学习的知识点，就是最后的那一段处理（第25行）。如果在实际应用中，你想等所有的Worker都执行完，就可以获取最大计数值的信号量。
Go扩展库中的信号量是使用互斥锁+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。
我们来看一下信号量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
}
在信号量的几个实现方法里，Acquire是代码最复杂的一个方法，它不仅仅要监控资源是否可用，而且还要检测Context的Done是否已关闭。我们来看下它的实现代码。
func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
s.mu.Lock()
// fast path, 如果有足够的资源，都不考虑ctx.Done的状态，将cur加上n就返回
if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 {
s.cur += n
s.mu.Unlock()
return nil
}
// 如果是不可能完成的任务，请求的资源数大于能提供的最大的资源数
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()
}
// 否则就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: // 被唤醒了
return nil
}
}
其实，为了提高性能，这个方法中的fast path之外的代码，可以抽取成acquireSlow方法，以便其它Acquire被内联。
Release方法将当前计数值减去释放的资源数n，并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()
}
notifyWaiters方法就是逐个检查等待的调用者，如果资源不够，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 // No more waiters blocked.
}
w := next.Value.(waiter)
if s.size-s.cur < w.n {
//避免饥饿，这里还是按照先入先出的方式处理
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。
好了，到这里，你就知道了官方扩展库的信号量实现方法，接下来你就可以使用信号量了。不过，在此之前呢，我想给你讲几个使用时的常见错误。这部分内容可是帮助你避坑的，我建议你好好学习。
使用信号量的常见错误
保证信号量不出错的前提是正确地使用它，否则，公平性和安全性就会受到损害，导致程序panic。
在使用信号量时，最常见的几个错误如下：
- 请求了资源，但是忘记释放它；
- 释放了从未请求的资源；
- 长时间持有一个资源，即使不需要它；
- 不持有一个资源，却直接使用它。
不过，即使你规避了这些坑，在同时使用多种资源，不同的信号量控制不同的资源的时候，也可能会出现死锁现象，比如哲学家就餐问题。
就Go扩展库实现的信号量来说，在调用Release方法的时候，你可以传递任意的整数。但是，如果你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。如果你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。
所以，使用信号量遵循的原则就是请求多少资源，就释放多少资源。你一定要注意，必须使用正确的方法传递整数，不要“耍小聪明”，而且，请求的资源数一定不要超过最大资源数。
其它信号量的实现
除了官方扩展库的实现，实际上，我们还有很多方法实现信号量，比较典型的就是使用Channel来实现。
根据之前的Channel类型的介绍以及Go内存模型的定义，你应该能想到，使用一个buffer为n的Channel很容易实现信号量，比如下面的代码，我们就是使用chan struct{}类型来实现的。
在初始化这个信号量的时候，我们设置它的初始容量，代表有多少个资源可以使用。它使用Lock和Unlock方法实现请求资源和释放资源，正好实现了Locker接口。
// Semaphore 数据结构，并且还实现了Locker接口
type semaphore struct {
sync.Locker
ch chan struct{}
}
// 创建一个新的信号量
func NewSemaphore(capacity int) sync.Locker {
if capacity <= 0 {
capacity = 1 // 容量为1就变成了一个互斥锁
}
return &semaphore{ch: make(chan struct{}, capacity)}
}
// 请求一个资源
func (s *semaphore) Lock() {
s.ch <- struct{}{}
}
// 释放资源
func (s *semaphore) Unlock() {
<-s.ch
}
当然，你还可以自己扩展一些方法，比如在请求资源的时候使用Context参数（Acquire(ctx)）、实现TryLock等功能。
看到这里，你可能会问，这个信号量的实现看起来非常简单，而且也能应对大部分的信号量的场景，为什么官方扩展库的信号量的实现不采用这种方法呢？其实，具体是什么原因，我也不知道，但是我必须要强调的是，官方的实现方式有这样一个功能：它可以一次请求多个资源，这是通过Channel实现的信号量所不具备的。
除了Channel，marusama/semaphore也实现了一个可以动态更改资源容量的信号量，也是一个非常有特色的实现。如果你的资源数量并不是固定的，而是动态变化的，我建议你考虑一下这个信号量库。
总结
这是一个很奇怪的现象：标准库中实现基本并发原语（比如Mutex）的时候，强烈依赖信号量实现等待队列和通知唤醒，但是，标准库中却没有把这个实现直接暴露出来放到标准库，而是通过第三库提供。
不管怎样，信号量这个并发原语在多资源共享的并发控制的场景中被广泛使用，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。
但是，官方扩展的信号量也有它的优势，就是可以一次获取多个资源。在批量获取资源的场景中，我建议你尝试使用官方扩展的信号量。
思考题
- 你能用Channel实现信号量并发原语吗？你能想到几种实现方式？
- 为什么信号量的资源数设计成int64而不是uint64呢？
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