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前言
哈嘍，大家好，我是asong。在寫上一篇文章請勿濫用goroutine時，發(fā)現(xiàn)Go語言擴(kuò)展包提供了一個帶權(quán)重的信號量庫Semaphore，使用信號量我們可以實(shí)現(xiàn)一個"工作池"控制一定數(shù)量的goroutine并發(fā)工作。因?yàn)閷υ创a抱有好奇的態(tài)度，所以在周末仔細(xì)看了一下這個庫并進(jìn)行了解析，在這里記錄一下。
目前創(chuàng)新互聯(lián)公司已為上千家的企業(yè)提供了網(wǎng)站建設(shè)、域名、虛擬空間、網(wǎng)站托管運(yùn)營、企業(yè)網(wǎng)站設(shè)計(jì)、海東網(wǎng)站維護(hù)等服務(wù)，公司將堅(jiān)持客戶導(dǎo)向、應(yīng)用為本的策略，正道將秉承"和諧、參與、激情"的文化，與客戶和合作伙伴齊心協(xié)力一起成長，共同發(fā)展。
何為信號量
要想知道一個東西是什么，我都愛去百度百科上搜一搜，輸入"信號量"，這答案不就來了。
百度百科解釋：
信號量(Semaphore)，有時被稱為信號燈，是[多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施，是可以用來保證兩個或多個關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用。在進(jìn)入一個關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個信號量;一旦該關(guān)鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號量。其它想進(jìn)入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待直到第一個線程釋放信號量。為了完成這個過程，需要創(chuàng)建一個信號量VI，然后將Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分別放置在每個關(guān)鍵代碼段的首末端。確認(rèn)這些信號量VI引用的是初始創(chuàng)建的信號量。
通過這段解釋我們可以得知什么是信號量，其實(shí)信號量就是一種變量或者抽象數(shù)據(jù)類型，用于控制并發(fā)系統(tǒng)中多個進(jìn)程對公共資源的訪問，訪問具有原子性。信號量主要分為兩類：
- 二值信號量：顧名思義，其值只有兩種0或者1，相當(dāng)于互斥量，當(dāng)值為1時資源可用，當(dāng)值為0時，資源被鎖住，進(jìn)程阻塞無法繼續(xù)執(zhí)行。
- 計(jì)數(shù)信號量：信號量是一個任意的整數(shù)，起始時，如果計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為0，那么創(chuàng)建出來的信號量就是不可獲得的狀態(tài)，如果計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于0，那么創(chuàng)建出來的信號量就是可獲得的狀態(tài)，并且總共獲取的次數(shù)等于計(jì)數(shù)器的值。
信號量工作原理
信號量是由操作系統(tǒng)來維護(hù)的，信號量只能進(jìn)行兩種操作等待和發(fā)送信號，操作總結(jié)來說，核心就是PV操作：
- P原語：P是荷蘭語Proberen(測試)的首字母。為阻塞原語，負(fù)責(zé)把當(dāng)前進(jìn)程由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)，直到另外一個進(jìn)程喚醒它。操作為：申請一個空閑資源(把信號量減1)，若成功，則退出;若失敗，則該進(jìn)程被阻塞;
- V原語：V是荷蘭語Verhogen(增加)的首字母。為喚醒原語，負(fù)責(zé)把一個被阻塞的進(jìn)程喚醒，它有一個參數(shù)表，存放著等待被喚醒的進(jìn)程信息。操作為：釋放一個被占用的資源(把信號量加1)，如果發(fā)現(xiàn)有被阻塞的進(jìn)程，則選擇一個喚醒之。
在信號量進(jìn)行PV操作時都為原子操作，并且在PV原語執(zhí)行期間不允許有中斷的發(fā)生。
PV原語對信號量的操作可以分為三種情況：
- 把信號量視為某種類型的共享資源的剩余個數(shù)，實(shí)現(xiàn)對一類共享資源的訪問
- 把信號量用作進(jìn)程間的同步
- 視信號量為一個加鎖標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)對一個共享變量的訪問
具體在什么場景使用本文就不在繼續(xù)分析，接下來我們重點(diǎn)來看一下Go語言提供的擴(kuò)展包Semaphore，看看它是怎樣實(shí)現(xiàn)的。
官方擴(kuò)展包Semaphore
我們之前在分析Go語言源碼時總會看到這幾個函數(shù)：
- func runtime_Semacquire(s *uint32)
- func runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int)
- func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)
這幾個函數(shù)就是信號量的PV操作，不過他們都是給Go內(nèi)部使用的，如果想使用信號量，那就可以使用官方的擴(kuò)展包：Semaphore，這是一個帶權(quán)重的信號量，接下來我們就重點(diǎn)分析一下這個庫。
安裝方法：go get -u golang.org/x/sync
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- type Weighted struct {
- size int64 // 設(shè)置一個最大權(quán)值
- cur int64 // 標(biāo)識當(dāng)前已被使用的資源數(shù)
- mu sync.Mutex // 提供臨界區(qū)保護(hù)
- waiters list.List // 阻塞等待的調(diào)用者列表
- }
semaphore庫核心結(jié)構(gòu)就是Weighted，主要有4個字段：
- size：這個代表的是最大權(quán)值，在創(chuàng)建Weighted對象指定
- cur：相當(dāng)于一個游標(biāo)，來記錄當(dāng)前已使用的權(quán)值
- mu：互斥鎖，并發(fā)情況下做臨界區(qū)保護(hù)
- waiters：阻塞等待的調(diào)用者列表，使用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證先進(jìn)先出的順序，存儲的數(shù)據(jù)是waiter對象，waiter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
- type waiter struct {
- n int64 // 等待調(diào)用者權(quán)重值
- ready chan<- struct{} // close channel就是喚醒
- }
這里只有兩個字段：
- n：這個就是等待調(diào)用者的權(quán)重值
- ready：這就是一個channel，利用channel的close機(jī)制實(shí)現(xiàn)喚醒
semaphore還提供了一個創(chuàng)建Weighted對象的方法，在初始化時需要給定最大權(quán)值：
- // NewWeighted為并發(fā)訪問創(chuàng)建一個新的加權(quán)信號量，該信號量具有給定的最大權(quán)值。
- func NewWeighted(n int64) *Weighted {
- w := &Weighted{size: n}
- return w
- }
阻塞獲取權(quán)值的方法 - Acquire
先直接看代碼吧：
- func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
- s.mu.Lock() // 加鎖保護(hù)臨界區(qū)
- // 有資源可用并且沒有等待獲取權(quán)值的goroutine
- if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 {
- s.cur += n // 加權(quán)
- s.mu.Unlock() // 釋放鎖
- return nil
- }
- // 要獲取的權(quán)值n大于最大的權(quán)值了
- if n > s.size {
- // 先釋放鎖，確保其他goroutine調(diào)用Acquire的地方不被阻塞
- s.mu.Unlock()
- // 阻塞等待context的返回
- <-ctx.Done()
- return ctx.Err()
- }
- // 走到這里就說明現(xiàn)在沒有資源可用了
- // 創(chuàng)建一個channel用來做通知喚醒
- ready := make(chan struct{})
- // 創(chuàng)建waiter對象
- w := waiter{n: n, ready: ready}
- // waiter按順序入隊(duì)
- elem := s.waiters.PushBack(w)
- // 釋放鎖，等待喚醒，別阻塞其他goroutine
- s.mu.Unlock()
- // 阻塞等待喚醒
- select {
- // context關(guān)閉
- case <-ctx.Done():
- err := ctx.Err() // 先獲取context的錯誤信息
- s.mu.Lock()
- select {
- case <-ready:
- // 在context被關(guān)閉后被喚醒了，那么試圖修復(fù)隊(duì)列，假裝我們沒有取消
- err = nil
- default:
- // 判斷是否是第一個元素
- isFront := s.waiters.Front() == elem
- // 移除第一個元素
- s.waiters.Remove(elem)
- // 如果是第一個元素且有資源可用通知其他waiter
- if isFront && s.size > s.cur {
- s.notifyWaiters()
- }
- }
- s.mu.Unlock()
- return err
- // 被喚醒了
- case <-ready:
- return nil
- }
- }
注釋已經(jīng)加到代碼中了，總結(jié)一下這個方法主要有三個流程：
- 流程一：有資源可用時并且沒有等待權(quán)值的goroutine，走正常加權(quán)流程;
- 流程二：想要獲取的權(quán)值n大于初始化時設(shè)置最大的權(quán)值了，這個goroutine永遠(yuǎn)不會獲取到信號量，所以阻塞等待context的關(guān)閉;
- 流程三：前兩步都沒問題的話，就說明現(xiàn)在系統(tǒng)沒有資源可用了，這時就需要阻塞等待喚醒，在阻塞等待喚醒這里有特殊邏輯;
- 特殊邏輯二：context關(guān)閉后，則根據(jù)是否有可用資源決定通知后面等待喚醒的調(diào)用者，這樣做的目的其實(shí)是為了避免當(dāng)不同的context控制不同的goroutine時，未關(guān)閉的goroutine不會被阻塞住，依然執(zhí)行，來看這樣一個例子(因?yàn)間oroutine的搶占式調(diào)度，所以這個例子也會具有偶然性)：
- 特殊邏輯一：如果在context被關(guān)閉后被喚醒了，那么就先忽略掉這個cancel，試圖修復(fù)隊(duì)列。
- func main() {
- s := semaphore.NewWeighted(3)
- ctx,cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second * 2)
- defer cancel()
- for i :=0; i < 3; i++{
- if i != 0{
- go func(num int) {
- if err := s.Acquire(ctx,3); err != nil{
- fmt.Printf("goroutine： %d, err is %s\n", num, err.Error())
- return
- }
- time.Sleep(2 * time.Second)
- fmt.Printf("goroutine： %d run over\n",num)
- s.Release(3)
- }(i)
- }else {
- go func(num int) {
- ct,cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second * 3)
- defer cancel()
- if err := s.Acquire(ct,3); err != nil{
- fmt.Printf("goroutine： %d, err is %s\n", num, err.Error())
- return
- }
- time.Sleep(3 * time.Second)
- fmt.Printf("goroutine： %d run over\n",num)
- s.Release(3)
- }(i)
- }
- }
- time.Sleep(10 * time.Second)
- }
上面的例子中g(shù)oroutine:0 使用ct對象來做控制，超時時間為3s，goroutine:1和goroutine:2對象使用ctx對象來做控制，超時時間為2s，這三個goroutine占用的資源都等于最大資源數(shù)，也就是說只能有一個goruotine運(yùn)行成功，另外兩個goroutine都會被阻塞，因?yàn)間oroutine是搶占式調(diào)度，所以我們不能確定哪個gouroutine會第一個被執(zhí)行，這里我們假設(shè)第一個獲取到信號量的是gouroutine:2，阻塞等待的調(diào)用者列表順序是：goroutine:1 -> goroutine:0，因?yàn)樵趃oroutine:2中有一個2s的延時，所以會觸發(fā)ctx的超時，ctx會下發(fā)Done信號，因?yàn)間oroutine:2和goroutine:1都是被ctx控制的，所以就會把goroutine:1從等待者隊(duì)列中取消，但是因?yàn)間oroutine:1屬于隊(duì)列的第一個隊(duì)員，并且因?yàn)間oroutine:2已經(jīng)釋放資源，那么就會喚醒goroutine:0繼續(xù)執(zhí)行，畫個圖表示一下：
使用這種方式可以避免goroutine永久失眠。
不阻塞獲取權(quán)值的方法 - TryAcquire
- func (s *Weighted) TryAcquire(n int64) bool {
- s.mu.Lock() // 加鎖
- // 有資源可用并且沒有等待獲取資源的goroutine
- success := s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0
- if success {
- s.cur += n
- }
- s.mu.Unlock()
- return success
- }
這個方法就簡單很多了，不阻塞地獲取權(quán)重為n的信號量，成功時返回true，失敗時返回false并保持信號量不變。
釋放權(quán)重
- func (s *Weighted) Release(n int64) {
- s.mu.Lock()
- // 釋放資源
- s.cur -= n
- // 釋放資源大于持有的資源，則會發(fā)生panic
- if s.cur < 0 {
- s.mu.Unlock()
- panic("semaphore: released more than held")
- }
- // 通知其他等待的調(diào)用者
- s.notifyWaiters()
- s.mu.Unlock()
- }
這里就是很常規(guī)的操作，主要就是資源釋放，同時進(jìn)行安全性判斷，如果釋放資源大于持有的資源，則會發(fā)生panic。
喚醒waiter
在Acquire和Release方法中都調(diào)用了notifyWaiters，我們來分析一下這個方法：
- func (s *Weighted) notifyWaiters() {
- for {
- // 獲取等待調(diào)用者隊(duì)列中的隊(duì)員
- next := s.waiters.Front()
- // 沒有要通知的調(diào)用者了
- if next == nil {
- break // No more waiters blocked.
- }
- // 斷言出waiter信息
- w := next.Value.(waiter)
- if s.size-s.cur < w.n {
- // 沒有足夠資源為下一個調(diào)用者使用時，繼續(xù)阻塞該調(diào)用者，遵循先進(jìn)先出的原則，
- // 避免需要資源數(shù)比較大的waiter被餓死
- //
- // 考慮一個場景，使用信號量作為讀寫鎖，現(xiàn)有N個令牌，N個reader和一個writer
- // 每個reader都可以通過Acquire（1）獲取讀鎖，writer寫入可以通過Acquire（N）獲得寫鎖定
- // 但不包括所有的reader，如果我們允許reader在隊(duì)列中前進(jìn)，writer將會餓死-總是有一個令牌可供每個reader
- break
- }
- // 獲取資源
- s.cur += w.n
- // 從waiter列表中移除
- s.waiters.Remove(next)
- // 使用channel的close機(jī)制喚醒waiter
- close(w.ready)
- }
- }
這里只需要注意一個點(diǎn)：喚醒waiter采用先進(jìn)先出的原則，避免需要資源數(shù)比較大的waiter被餓死。
何時使用Semaphore
到這里我們就把Semaphore的源代碼看了一篇，代碼行數(shù)不多，封裝的也很巧妙，那么我們該什么時候選擇使用它呢?
目前能想到一個場景就是Semaphore配合上errgroup實(shí)現(xiàn)一個"工作池"，使用Semaphore限制goroutine的數(shù)量，配合上errgroup做并發(fā)控制，示例如下：
- const (
- limit = 2
- )
- func main() {
- serviceName := []string{
- "cart",
- "order",
- "account",
- "item",
- "menu",
- }
- eg,ctx := errgroup.WithContext(context.Background())
- s := semaphore.NewWeighted(limit)
- for index := range serviceName{
- name := serviceName[index]
- if err := s.Acquire(ctx,1); err != nil{
- fmt.Printf("Acquire failed and err is %s\n", err.Error())
- break
- }
- eg.Go(func() error {
- defer s.Release(1)
- return callService(name)
- })
- }
- if err := eg.Wait(); err != nil{
- fmt.Printf("err is %s\n", err.Error())
- return
- }
- fmt.Printf("run success\n")
- }
- func callService(name string) error {
- fmt.Println("call ",name)
- time.Sleep(1 * time.Second)
- return nil
- }
結(jié)果如下：
- call order
- call cart
- call account
- call item
- call menu
- run success
總結(jié)
本文我們主要賞析了Go官方擴(kuò)展庫Semaphore的實(shí)現(xiàn)，他的設(shè)計(jì)思路簡單，僅僅用幾十行就完成了完美的封裝，值得我們借鑒學(xué)習(xí)。不過在實(shí)際業(yè)務(wù)場景中，我們使用信號量的場景并不多，大多數(shù)場景我們都可以使用channel來替代，但是有些場景使用Semaphore來實(shí)現(xiàn)會更好，比如上篇文章【[警惕] 請勿濫用goroutine】我們使用channel+sync來控制goroutine數(shù)量，這種實(shí)現(xiàn)方式并不好，因?yàn)閷?shí)際已經(jīng)起來了多個goroutine，只不過控制了工作的goroutine數(shù)量，如果改用semaphore實(shí)現(xiàn)才是真正的控制了goroutine數(shù)量。
文中代碼已上傳github：https://github.com/asong2020/Golang_Dream/blob/master/code_demo/semaphore_demo/semaphore.go，歡迎star。
網(wǎng)站名稱：Go官方設(shè)計(jì)了一個信號量庫
本文路徑：http://www.5511xx.com/article/djeggjc.html
