在這個(gè)系列的最后兩篇文章中，我們討論了來(lái)自sync包的Mutex和RWMutex。當(dāng)我們希望只有一個(gè)Goroutine能夠獨(dú)占地訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)非常有用。

然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，有些用例需要允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)共享資源。這個(gè)數(shù)量可以很大，也可以很小，但必須始終是有限的。例如，一個(gè)容納60000人的體育場(chǎng)在任何時(shí)候都不應(yīng)容納超過(guò)這個(gè)數(shù)量的人。或者，在機(jī)場(chǎng)，無(wú)論乘客隊(duì)列有多長(zhǎng)，同時(shí)允許辦理登機(jī)手續(xù)的最大乘客數(shù)量就是開(kāi)放柜臺(tái)的數(shù)量。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，這種并發(fā)訪問(wèn)的用例是用信號(hào)量（Semaphore）來(lái)建模的。在本文中，我將通過(guò)可視化的方式解釋信號(hào)量（Semaphore）的工作原理。我還將與您分享如何在Golang中使用通道來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)信號(hào)量（Semaphore）的方法。

場(chǎng)景

有4個(gè)Gopher想去游泳。然而，只有2個(gè)游泳道。每個(gè)泳道最多允許1個(gè)Gopher在任何時(shí)候游泳，但他們可以輪流游泳。

Candier想去游泳。因?yàn)閮蓚€(gè)泳道都可用，所以她可以立即獲得一個(gè)泳道。

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片刻之后，Partier和Swimmer也想去游泳。此時(shí)只有一個(gè)泳道可用。只有其中一個(gè)可以獲得泳道，另一個(gè)必須等待。當(dāng)M個(gè)Goroutine競(jìng)爭(zhēng)N（N < M）個(gè)槽位時(shí)，我們不能保證誰(shuí)會(huì)贏得這個(gè)“競(jìng)爭(zhēng)”。在這種情況下，當(dāng)M=2和N=1時(shí)，假設(shè)Swimmer贏了。

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Swimmer非常擅長(zhǎng)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。他迅速完成了他的輪次，并迅速釋放了泳道，使其可用于Partier。與此同時(shí)，Candier仍然在她的泳道上游泳。

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Stringer想去游泳，但兩個(gè)泳道目前都被占用。他別無(wú)選擇，只能等待。他不知道也不關(guān)心哪一條泳道會(huì)先可用。

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假設(shè)Partier在這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中也比Candier更有天賦。盡管在Candier之后開(kāi)始，但仍然比她早完成。Partier釋放了他的泳道，使其可用于Stringer。

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不久后，Candier完成并釋放了她的泳道。泳道變得可用，但沒(méi)有人試圖占用它，它仍然可用。

最后，Stringer完成了他的輪次。他釋放了他的泳道，使兩個(gè)泳道都可用。

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面試

在技術(shù)面試中，Semaphore這個(gè)術(shù)語(yǔ)可能聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)嚇人。然而，正如你在上面的插圖中所看到的，它是非常容易理解的。事實(shí)上，我曾幾次在面試中問(wèn)過(guò)我的面試者關(guān)于Semaphore的問(wèn)題。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)在黑色星期五上線(xiàn)的虛擬商店。有很多顧客想進(jìn)去，但商店最多只能容納N個(gè)顧客。每個(gè)顧客進(jìn)去后沒(méi)有時(shí)間限制，他/她可以一整天待在店里，也可以一進(jìn)去就離開(kāi)。當(dāng)已經(jīng)有N個(gè)顧客在里面時(shí)，后來(lái)的顧客必須排隊(duì)等候，直到有人離開(kāi)。當(dāng)然，有很多解決這個(gè)問(wèn)題的方法，其中沒(méi)有一個(gè)是對(duì)或錯(cuò)的。我希望這篇文章為您提供了處理N個(gè)并發(fā)訪問(wèn)問(wèn)題的另一種工具。

真實(shí)世界的例子

辦理登機(jī)手續(xù)柜臺(tái)、體育場(chǎng)的座位以及計(jì)算機(jī)資源，如CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都是有限的。通常，控制應(yīng)用程序資源使用是一個(gè)好主意。我曾在我的一個(gè)應(yīng)用程序中使用Semaphore來(lái)限制一次只能有限數(shù)量的并發(fā)資源密集型Goroutine。這也可以通過(guò)一個(gè)包含N個(gè)Goroutine的池來(lái)解決。然而，由于我們的并發(fā)工作負(fù)載不是均勻分布在時(shí)間上的，它可能在0和N之間的任何位置，所以我們發(fā)現(xiàn)Semaphore是一個(gè)更好的選擇。

展示你的代碼！

請(qǐng)注意，Semaphore并不像sync.Mutex一樣作為內(nèi)置組件提供。相反，Go團(tuán)隊(duì)將其作為擴(kuò)展提供。將其添加到項(xiàng)目中非常簡(jiǎn)單：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)
}

實(shí)現(xiàn)自己的Semaphore

如果您不想將golang.org/x/sync/semaphore添加到項(xiàng)目中，使用通道自己實(shí)現(xiàn)Semaphore也相當(dāng)簡(jiǎn)單。

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
}}