Go 并发可视化解释 - Semaphore

在这个系列的最后两篇文章中，我们讨论了来自sync包的Mutex和RWMutex。当我们希望只有一个Goroutine能够独占地访问共享数据时，这两个结构非常有用。

然而，在现实生活中，有些用例需要允许多个用户同时访问共享资源。这个数量可以很大，也可以很小，但必须始终是有限的。例如，一个容纳60000人的体育场在任何时候都不应容纳超过这个数量的人。或者，在机场，无论乘客队列有多长，同时允许办理登机手续的最大乘客数量就是开放柜台的数量。在计算机科学中，这种并发访问的用例是用信号量（Semaphore）来建模的。在本文中，我将通过可视化的方式解释信号量（Semaphore）的工作原理。我还将与您分享如何在Golang中使用通道来简单实现信号量（Semaphore）的方法。

场景

有4个Gopher想去游泳。然而，只有2个游泳道。每个泳道最多允许1个Gopher在任何时候游泳，但他们可以轮流游泳。

Candier想去游泳。因为两个泳道都可用，所以她可以立即获得一个泳道。

片刻之后，Partier和Swimmer也想去游泳。此时只有一个泳道可用。只有其中一个可以获得泳道，另一个必须等待。当M个Goroutine竞争N（N < M）个槽位时，我们不能保证谁会赢得这个“竞争”。在这种情况下，当M=2和N=1时，假设Swimmer赢了。

Swimmer非常擅长这项运动。他迅速完成了他的轮次，并迅速释放了泳道，使其可用于Partier。与此同时，Candier仍然在她的泳道上游泳。

Stringer想去游泳，但两个泳道目前都被占用。他别无选择，只能等待。他不知道也不关心哪一条泳道会先可用。

假设Partier在这项运动中也比Candier更有天赋。尽管在Candier之后开始，但仍然比她早完成。Partier释放了他的泳道，使其可用于Stringer。

不久后，Candier完成并释放了她的泳道。泳道变得可用，但没有人试图占用它，它仍然可用。

最后，Stringer完成了他的轮次。他释放了他的泳道，使两个泳道都可用。

面试

在技术面试中，Semaphore这个术语可能听起来有点吓人。然而，正如你在上面的插图中所看到的，它是非常容易理解的。事实上，我曾几次在面试中问过我的面试者关于Semaphore的问题。例如，设计一个在黑色星期五上线的虚拟商店。有很多顾客想进去，但商店最多只能容纳N个顾客。每个顾客进去后没有时间限制，他/她可以一整天待在店里，也可以一进去就离开。当已经有N个顾客在里面时，后来的顾客必须排队等候，直到有人离开。当然，有很多解决这个问题的方法，其中没有一个是对或错的。我希望这篇文章为您提供了处理N个并发访问问题的另一种工具。

真实世界的例子

办理登机手续柜台、体育场的座位以及计算机资源，如CPU、内存和网络，有一个共同点：它们都是有限的。通常，控制应用程序资源使用是一个好主意。我曾在我的一个应用程序中使用Semaphore来限制一次只能有限数量的并发资源密集型Goroutine。这也可以通过一个包含N个Goroutine的池来解决。然而，由于我们的并发工作负载不是均匀分布在时间上的，它可能在0和N之间的任何位置，所以我们发现Semaphore是一个更好的选择。

展示你的代码！

请注意，Semaphore并不像sync.Mutex一样作为内置组件提供。相反，Go团队将其作为扩展提供。将其添加到项目中非常简单：go get golang.org/x/sync。

package main
 
 
import (
    "context"
    "golang.org/x/sync/semaphore"
    "log"
    "time"
)
 
 
func main() {
    pool := semaphore.NewWeighted(2)
 
 
    go swim("Candier", pool)
    go swim("Swimmer", pool)
    go swim("Partier", pool)
    go swim("Stringer", pool)
 
 
    time.Sleep(5 * time.Second) // For brevity, better use sync.WaitGroup
 
 
    log.Println("Main: Done, shutting down")
}
 
 
func swim(name string, pool *semaphore.Weighted) {
    log.Printf("%v: I want to swim\n", name)
 
 
    // In real applications, pass in your context such as HTTP request context
    ctx := context.Background()
 
 
    // We can also Acquire/Release more than 1
    // when the workloads consume different amount of resources
    if err := pool.Acquire(ctx, 1); err != nil {
        log.Printf("%v: Ops, something went wrong! I cannot acquire a lane\n", name)
        return
    }
 
 
    log.Printf("%v: I got a lane, I'm swimming\n", name)
    time.Sleep(time.Second)
    log.Printf("%v: I'm done. Releasing my lane\n", name)
    pool.Release(1)
}

实现自己的Semaphore

如果您不想将golang.org/x/sync/semaphore添加到项目中，使用通道自己实现Semaphore也相当简单。

type Semaphore struct {
    ch chan bool
}
 
 
func NewSemaphore(weight int) *Semaphore {
    return &Semaphore{
        ch: make(chan bool, weight),
    }
}
 
 
func (s *Semaphore) Acquire() {
    s.ch <- true
}
 
 
func (s *Semaphore) Release() {
    <-s.ch
}}