【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景

【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景

本文来自于我关于多线程系列文章。欢迎阅读、点评与交流
1.【多线程】信号量（Semaphore）是什么？
2.【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景

信号量（Semaphore）是一种非常重要的同步机制，由荷兰计算机科学家Dijkstra提出。它的核心是一个计数器，用于控制多个线程（或进程）对有限数量共享资源的访问。

信号量的主要应用场景可以分为以下几大类：

1. 互斥（Mutex / Binary Semaphore）

这是最基础、最常见的应用场景。二进制信号量（其值只能为0或1）常被用作互斥锁，以确保在任何时刻只有一个线程可以访问临界区。

• 核心思想：保护一段代码（临界区），防止多个线程同时进入。

• 工作方式：

  • 信号量初始值为1，表示锁是可用的。
  • 线程进入临界区前执行 wait()（或 P()）操作，将信号量减为0。
  • 其他线程再执行 wait() 时会被阻塞，因为信号量已经是0。
  • 拥有锁的线程退出临界区后执行 signal()（或 V()）操作，将信号量恢复为1，唤醒一个等待的线程。

• 应用实例：

  • 多线程操作共享数据：例如，多个线程同时更新一个全局变量、一个链表或一个共享文件。使用信号量可以避免数据竞争和不一致。
  • 访问共享硬件：如只有一个打印机，多个进程需要排队打印。

2. 同步（Synchronization）

信号量可以用于线程或进程间的执行顺序同步，确保一个操作必须在另一个操作完成之后才能开始。这通常使用计数信号量（初始值常为0）。

• 核心思想：一个线程等待另一个线程完成某个任务后发出的“信号”。

• 工作方式：

  • 线程A需要等待线程B完成某项工作。
  • 信号量初始化为0。
  • 线程A在需要等待的地方执行 wait()，由于初始值为0，它会被阻塞。
  • 线程B完成任务后，执行 signal()，将信号量加1。
  • 线程A被唤醒，继续执行。

• 经典模型：生产者-消费者问题

  • 场景：一个或多个生产者线程生产数据并放入缓冲区，一个或多个消费者线程从缓冲区取出数据消费。
  • 需要的信号量：
    1. 互斥信号量（mutex）：初始值为1，用于保证任何时候只有一个线程（生产者或消费者）操作缓冲区。
    2. 空位信号量（empty）：初始值为缓冲区的总大小（N），表示当前可用的空位数量。生产者生产前需要获取一个空位（wait(empty)），消费者消费后会释放一个空位（signal(empty)）。
    3. 满位信号量（full）：初始值为0，表示当前缓冲区中可供消费的数据项数量。消费者消费前需要获取一个满位（wait(full)），生产者生产后会释放一个满位（signal(full)）。

• 其他应用实例：

  • 线程A等待线程B完成初始化。
  • 主线程等待所有工作线程完成任务后再进行汇总。

3. 控制对资源池的访问（Resource Pool）

当有一组数量固定的同类资源（如数据库连接池、内存缓冲区块、线程池中的工作线程）时，可以使用计数信号量来管理对这些资源的分配。

• 核心思想：信号量的初始值设置为资源的总数。
• 工作方式：
  • 线程需要资源时，执行 wait()，信号量值减1。如果值大于0，立即获取资源；如果值等于0，则阻塞直到有资源被释放。
  • 线程释放资源时，执行 signal()，信号量值加1，并唤醒一个可能正在等待资源的线程。
• 应用实例：
  • 数据库连接池：系统启动时创建10个数据库连接。信号量初始值为10。任何需要数据库操作的线程必须先从信号量获取一个“许可”，使用完毕后释放。
  • 内存池管理。

4. 限制并发数（Throttling / Rate Limiting）

这个场景与控制资源池类似，但目的略有不同。它不是为了管理具体的物理资源，而是为了限制系统某一部分的负载，防止系统过载。

• 核心思想：设置一个并发上限。
• 工作方式：
  • 信号量初始值设置为允许的最大并发数（例如100）。
  • 每当一个任务开始执行时，先执行 wait()。
  • 当任务执行完毕时，执行 signal()。
  • 如果当前已有100个任务在运行，第101个任务在执行 wait() 时会被阻塞，直到有任务完成。
• 应用实例：
  • 限制同时处理的HTTP请求数量，防止服务器崩溃。
  • 限制同时发起的API调用次数，以遵守第三方服务的速率限制。

总结

应用场景	信号量类型	初始值	核心目的
互斥（Mutex）	二进制信号量	1	保护临界区，一次只允许一个线程进入
同步（如生产者-消费者）	计数信号量	0 或 N	协调线程间的执行顺序
资源池管理	计数信号量	资源总数	高效、安全地分配有限资源
限制并发数	计数信号量	并发上限	流量控制，防止系统过载

重要提示：在现代编程中（如Java的 synchronized 关键字、java.util.concurrent.locks.ReentrantLock 或Python的 threading.Lock），实现互斥时更推荐使用专门的互斥锁（Mutex），因为它们通常具有所有权概念（防止其他线程释放锁）等更安全的特性。而信号量（特别是计数信号量）在实现复杂的同步模式（如生产者-消费者）和控制并发访问数量方面，仍然具有不可替代的优势。