练习：自己动手实现一个轻量级的信号量（一）

信号量历史悠久，折磨死了一代又一代的计算机专业学生，但是不得不承认其在Multi-thread环境下的巨大作用。最经典的案例莫过于管理一个环状缓冲区。.NET 中的Semaphore对象等同于Win32中的Semaphore。属于内核级对象，因此使用它的代价就比较大了。并且Semaphore对象每次仅仅能够等待一个Count，这有的时候让事情变得有些烦，例如你可能不得不将环状缓冲区分割为一个个的Chunk（实际上这是一个好方法，因为我们应该对于Cache进行优化）。Qt中的信号量可以一次获得多个Count，感觉很方便。综上，我们希望自己动手实现一个轻量级的，支持一次获得多个资源的信号量。

首先看看信号量重要维护哪些信息。第一，当前还有多少剩余的资源（_currentResources）；第二，系统初始化的时候有多少资源（_initResources）；第三，当前有多少个线程被阻塞（_waitingThreadCount）：

 

 

 public class SemaphoreExtended
 {
   private int _currentResources;
   private int _initResources;
   private volatile int _waitingThreadCount;
 }

 

 

我们知道，如果信号量持有的资源数目没完没了的减少，那么降到0就会阻塞，但是没完没了的增加呢？厄~你说会溢出，所以，我们还需要进行一个上限的检查。于是我们添加了一个上限值，这个上限值应该由用户指定，并且一旦指定就不能更改了。于是我们的代码中添加了一个新的Field。

 

 public class SemaphoreExtended
 {
   private int _currentResources;
   private int _initResources;
   private volatile int _waitingThreadCount;
   // 资源数目的上限
   private readonly int _maxResourceCount;
 }

 

 

 

好的，你发现了，我们的需要管理的Fields不止一个，那么~~对了，为了保证某些操作的一致性，我们肯定需要一把锁。

 

 

 public class SemaphoreExtended
 {
   private int _currentResources;
   private int _initResources;
   private volatile int _waitingThreadCount;
   private readonly int _maxResourceCount;
   // 信号量对象的锁
   private object _globalLock;
 }

 

 

好了，下面我们可以开始我们的工作了。下一步我们干什么呢？厄~咱们解决掉关键问题之后剩下的工作肯定轻松愉快，因此，我们先考虑Wait和Release吧。

首先解决Release的问题，想想Release要做哪些事情。

 

（1）看看当前的资源数目加上释放的数目会不会超过上限

（2）如果不超过上限就增加我们的资源数目

（3）如果发现有的线程在等待资源则激活那些线程，让他们看看现有的资源是不是够他们使用了

（4）将之前的资源数目返回给用户。还有关键的一点，这些操作必须保证是Atomic的，于是这些操作都需要lock!

 

写代码了~~~

 

 1 public int Release(int releaseResCount)
 2 {
 3   // 参数需要检查一下
 4   if (releaseResCount < 1)
 5   throw new ArgumentOutOfRangeException("releaseCount");
 6   // 这个函数需要保证其结果的一致性
 7   lock (this._globalLock)
 8   {
 9     // 已经超过了上限了
     if (this._maxResourceCount - this._currentResources < releaseResCount)
     {
       throw new System.Threading.SemaphoreFullException();
     }
     // 很好，现在我们在做第（2）步
     this._currentResources += releaseResCount;
     // 我们现在可以做第（3）步了
     // 为了性能考虑，我们应当分两种情况进行讨论。
     // 当然了，如果没有线程等待就不管了~
     // 什么？万一你在判断的时候等待的线程增加了怎么办？有锁呢，不可能~
     if (this._waitingThreadCount == 1)
     {
       System.Threading.Monitor.Pulse(this._globalLock);
     }
     else if (this._waitingThreadCount > 1)
     {
       System.Threading.Monitor.PulseAll(this._globalLock);
     }
     // 这就是第（4）步
     return (this._currentResources - releaseResCount);
   }
 }

 

 

以上的代码正确么？答案是错误的！错误在了第（3）步，最终导致第4步结果可能是错误的。

 

问题出在了Pulse上。如果你发现看MSDN上的解释有些头晕，那么我们就用伪代码解释一下。

 

Monitor.Pulse(...)

 

等价于

 

if(_globalLock.Owner == Thread.CurrentThread)
{
  Monitor.Exit(_globalLock);
}
else
{
  throw new ...;
}
InternalPulse(...);
Monitor.Enter(_globalLock);

 

问题已经出来了，实际上我们唤醒线程时释放了锁，唤醒之后只有重新获得锁之后才能继续，而这个时候信号量拥有的资源数目很可能已经改变了！我们说，Release返回给用户的数据是调用Release之前信号量所保有的资源数目，那么，我们就应当提前保存这个值。修改一下：

 

 1 public int Release(int releaseResCount)
 2 {
 3     // 参数需要检查一下
 4     if (releaseResCount < 1)
 5         throw new ArgumentOutOfRangeException("releaseCount");
 6     // 这个函数需要保证其结果的一致性
 7     lock (this._globalLock)
 8     {
 9         // 已经超过了上限了
         if (this._maxResourceCount - this._currentResources < releaseResCount)
         {
             throw new System.Threading.SemaphoreFullException();
         }
         // 很好，现在我们在做第（2）步
         int old = this._currentResources;
         this._currentResources += releaseResCount;
         // 我们现在可以做第（3）步了
         // 为了性能考虑，我们应当分两种情况进行讨论。
         // 当然了，如果没有线程等待就不管了~
         // 什么？万一你在判断的时候等待的线程增加了怎么办？有锁呢，不可能~
         if (this._waitingThreadCount == 1)
         {
             System.Threading.Monitor.Pulse(this._globalLock);
         }
         else if (this._waitingThreadCount > 1)
         {
             System.Threading.Monitor.PulseAll(this._globalLock);
         }
         // 这就是第（4）步
         return old;
     }
 }

 

好，目前我们轻松的解决了Release问题。但是Wait就不是那么好办的了。想这个花掉很多脑细胞。首先一个问题，Wait可能阻塞，所以必须支持超时操作。其次就是必须考虑线程唤醒之后的工作。

我们还是先理一下思路。Wait试图减少资源数目。如果失败就需要不停的等待，直到他被别人唤醒。首先用文字书写一下：

 

（1）试图获得锁！这是必须的因为没有锁的话我们根本没有办法保证操作的一致性。这个时候我们不能够使用lock{...}因为我们必须处理超时的问题。
（2）好样的，锁在我们手里了，现在我们要试图减少资源数目：
 while(当前的资源数还不够我们减少的)
 {
  // 也就是说我们必须等待了
  if (已经超时了)
  {
   返回;
  }
  释放掉锁并让线程处于等待状态。如果超时就返回；
  // 好了，执行到这一句说明我们已经持有锁了，有人把我们唤醒了
  // 但是唤醒了不代表我们就有我们需要的资源了所以循环回去检查
 }
 // 能执行到这一句说明：（a）我们拥有锁，（b）我们有足够的资源
 减少资源数目；
（3）释放锁。

 

我们来写代码！

 

 1 public bool Wait(int millisecondsTimeout, int waitResNumber)
 2 {
 3     // 参数检查工作是必须的
 4     if (millisecondsTimeout < -1)
 5         throw new ArgumentOutOfRangeException("millisecondsTimeout");
 6     if (waitResNumber < 1)
 7         throw new ArgumentOutOfRangeException("waitResNumber");
 8     // 我们在后面要两次处理超时，因此我们需要一个计时器
 9     System.Diagnostics.StopWatch watch = null;
     if (millisecondsTimeout != -1)
     {
         watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
     }
     // 现在我们来做第（1）步
     if (!System.Threading.Monitor.TryEnter(this._globalLock))
     {
         if (millisecondsTimeout == 0)
             return false;
         if (!System.Threading.Monitor.TryEnter(this._globalLock, millisecondsTimeout))
         {
             return false;
         }
     }
     // 现在我们已经获得锁了，我们要增加阻塞的线程数目，以便将来有人能够唤醒我们
     ++this._waitingThreadCount;
     try
     {
         // 如果当前的资源数目不够用的，我们就得等等了
         while (this._currentResources - waitResNumber < 0)
         {
             if (millisecondsTimeout != -1)
             {
                 // 看看是不是超时了
                 timeoutNum = UpdateTimeout(watch, millisecondsTimeout);
                 if (timeoutNum <= 0)
                 {
                     return false;
                 }
             }
             // 如果没有超时我们就再等一下
             if (!System.Threading.Monitor.Wait(this._globalLock, timeoutNum))
             {
                 return false;
             }
             // 好的我们被唤醒了，赶快回去检查检查有没有足够的资源了
         }
         // 很好，我们现在有足够的资源了，
         // 并且没有什么人能够再更改资源数目了，因为锁在我们手里！
         this._currentResources -= waitResNumber;
     }
     finally
     {
         // 很好，我们安全的退出了，减少阻塞的线程数目并且释放锁
         --this._waitingThreadCount;
         System.Threading.Monitor.Exit(this._globalLock);
     }
     return true;
 }

 

 

好的！我们基本上实现了一个信号量的精华部分了。但是这是不够的。尤其是在Wait的过程中，我们直接就使用了Monitor，实际上，对于多核心处理器来说，一开始进行短暂的spin是更好的选择！我们的代码还有优化的空间！下一回，我们就在Wait中添加Spin优化，并最终实现一个完整的信号量。