Golang并发原语之-信号量Semaphore

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信号量是并发编程中比较常见的一种同步机制,它会保持资源计数器一直在0-NN表示权重值大小,在用户初始化时指定)之间。当用户获取的时候会减少一会,使用完毕后再恢复过来。当遇到请求时资源不够的情况下,将会进入休眠状态以等待其它进程释放资源。

在 Golang 官方扩展库中为我们提供了一个基于权重的信号量 semaphore 并发原语。

你可以将下面的参数 n 理解为资源权重总和,表示每次获取时的权重;也可以理解为资源数量,表示每次获取时必须一次性获取的资源数量。为了理解方便,这里直接将其理解为资源数量。

数据结构

semaphore.Weighted 结构体

type waiter struct {
    n     int64
    ready chan<- struct{} // Closed when semaphore acquired.
}

// NewWeighted creates a new weighted semaphore with the given
// maximum combined weight for concurrent access.
func NewWeighted(n int64) *Weighted {
    w := &Weighted{size: n}
    return w
}

// Weighted provides a way to bound concurrent access to a resource.
// The callers can request access with a given weight.
type Weighted struct {
    size    int64
    cur     int64
    mu      sync.Mutex
    waiters list.List
}

一个 watier 就表示一个请求,其中n表示这次请求的资源数量(权重)。

使用 NewWeighted() 函数创建一个并发访问的最大资源数,这里 n 表示资源个数。

Weighted 字段说明

  • size 表示最大资源数量,取走时会减少,释放时会增加
  • cur 计数器,记录当前已使用资源数,值范围[0 - size]
  • mu
  • waiters 当前处于等待休眠的请求者goroutine,每个请求者请求的资源数量可能不一样,只有在请求时,可用资源数量不足时请求者才会进入请求链表,每个请求者表示一个goroutine

计数器 cur 会随着资源的获取和释放而变化,那么为什么要引入数量(权重)这个概念呢?

方法列表

方法

  • NewWighted 方法用来创建一类资源,参数 n 资源表示最大可用资源总个数;
  • Acquire 获取指定个数的资源,如果当前没有空闲资源可用,当前请求者goroutine将陷入休眠状态;
  • Release 释放资源
  • TryAcquireAcquire 一样,但当无空闲资源将直接返回false,而不阻塞。

获取 Acquire 和 TryAcquire

对于获取资源有两种方法,分别为 Acquire()TryAcquire(),两者的区别我们上面已介绍过。

在获取和释放资源前必须先加全局锁

获取资源时根据空闲资源情况,可分为三种:

  • 有空闲资源可用,将返回nil,表示成功
  • 请求资源数量超出了初始化时指定的总数量,这个肯定永远也不可能执行成功的,所以直接返回 ctx.Err()
  • 当前空闲资源数量不足,需要等待其它goroutine对资源进行释放才可以运行,这时将当前请求者goroutine放入等待队列。 这里再根据情况而定,具体见 select 判断
// Acquire acquires the semaphore with a weight of n, blocking until resources
// are available or ctx is done. On success, returns nil. On failure, returns
// ctx.Err() and leaves the semaphore unchanged.
//
// If ctx is already done, Acquire may still succeed without blocking.
func (s *Weighted) Acquire(ctx context.Context, n int64) error {
    // 有可用资源,直接成功返回nil
    s.mu.Lock()
    if s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0 {
        s.cur += n
        s.mu.Unlock()
        return nil
    }

    // 请求资源权重远远超出了设置的最大权重和,失败返回 ctx.Err()
    if n > s.size {
        // Don't make other Acquire calls block on one that's doomed to fail.
        s.mu.Unlock()
        <-ctx.Done()
        return ctx.Err()
    }

    // 有部分资源可用,将请求者放在等待队列(头部),并通过select 实现通知其它waiters
    ready := make(chan struct{})
    w := waiter{n: n, ready: ready}
    // 放入链表尾部,并返回放入的元素
    elem := s.waiters.PushBack(w)
    s.mu.Unlock()

    select {
    case <-ctx.Done():
        // 收到外面的控制信号
        err := ctx.Err()
        s.mu.Lock()
        select {
        case <-ready:
            // Acquired the semaphore after we were canceled.  Rather than trying to
            // fix up the queue, just pretend we didn't notice the cancelation.
            // 如果在用户取消之前已经获取了资源,则直接忽略这个信号,返回nil表示成功
            err = nil
        default:
            // 收到控制信息,且还没有获取到资源,就直接将原来添加的 waiter 删除
            isFront := s.waiters.Front() == elem

            // 则将其从链接删除 上面 ctx.Done()
            s.waiters.Remove(elem)

            // 如果当前元素正好位于链表最前面,且还存在可用的资源,就通知其它waiters
            if isFront && s.size > s.cur {
                s.notifyWaiters()
            }
        }
        s.mu.Unlock()
        return err

    case <-ready:
        return nil
    }
}

注意上面在select逻辑语句上面有一次加解锁的操作,在 select 里面由于是全局锁所以还需要再次加锁。

根据可用计数器信息,可分三种情况:

  1. 对于 TryAcquire() 就比较简单了,就是一个可用资源数量的判断,数量够用表示成功返回 true ,否则 false,此方法并不会进行阻塞,而是直接返回。
// TryAcquire acquires the semaphore with a weight of n without blocking.
// On success, returns true. On failure, returns false and leaves the semaphore unchanged.
func (s *Weighted) TryAcquire(n int64) bool {
    s.mu.Lock()
    success := s.size-s.cur >= n && s.waiters.Len() == 0
    if success {
        s.cur += n
    }
    s.mu.Unlock()
    return success
}

释放 Release

对于释放也很简单,就是将已使用资源数量(计数器)进行更新减少,并通知其它 waiters

// Release releases the semaphore with a weight of n.
func (s *Weighted) Release(n int64) {
    s.mu.Lock()
    s.cur -= n
    if s.cur < 0 {
        s.mu.Unlock()
        panic("semaphore: released more than held")
    }
    s.notifyWaiters()
    s.mu.Unlock()
}

通知机制

通过 for 循环从链表头部开始头部依次遍历出链表中的所有waiter,并更新计数器 Weighted.cur,同时将其从链表中删除,直到遇到 空闲资源数量 < watier.n 为止。

func (s *Weighted) notifyWaiters() {
    for {
        next := s.waiters.Front()
        if next == nil {
            break // No more waiters blocked.
        }

        w := next.Value.(waiter)
        if s.size-s.cur < w.n {
            // Not enough tokens for the next waiter.  We could keep going (to try to
            // find a waiter with a smaller request), but under load that could cause
            // starvation for large requests; instead, we leave all remaining waiters
            // blocked.
            //
            // Consider a semaphore used as a read-write lock, with N tokens, N
            // readers, and one writer.  Each reader can Acquire(1) to obtain a read
            // lock.  The writer can Acquire(N) to obtain a write lock, excluding all
            // of the readers.  If we allow the readers to jump ahead in the queue,
            // the writer will starve — there is always one token available for every
            // reader.
            break
        }

        s.cur += w.n
        s.waiters.Remove(next)
        close(w.ready)
    }
}

可以看到如果一个链表里有多个等待者,其中一个等待者需要的资源(权重)比较多的时候,当前 watier 会出现长时间的阻塞(即使当前可用资源足够其它waiter执行,期间会有一些资源浪费), 直到有足够的资源可以让这个等待者执行,然后继续执行它后面的等待者。

使用示例

官方文档提供了一个基于信号量的典型的“工作池”模式,见https://pkg.go.dev/golang.org/x/sync/semaphore#example-package-WorkerPool,演示了如何通过信号量控制一定数量的 goroutine 并发工作。

这是一个通过信号量实现并发对 考拉兹猜想的示例,对1-32之间的数字进行计算,并打印32个符合结果的值。

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "log"
    "runtime"

    "golang.org/x/sync/semaphore"
)

// Example_workerPool demonstrates how to use a semaphore to limit the number of
// goroutines working on parallel tasks.
//
// This use of a semaphore mimics a typical “worker pool” pattern, but without
// the need to explicitly shut down idle workers when the work is done.
func main() {
    ctx := context.TODO()

     // 权重值为逻辑cpu个数
    var (
        maxWorkers = runtime.GOMAXPROCS(0)
        sem        = semaphore.NewWeighted(int64(maxWorkers))
        out        = make([]int, 32)
    )

    // Compute the output using up to maxWorkers goroutines at a time.
    for i := range out {
        // When maxWorkers goroutines are in flight, Acquire blocks until one of the
        // workers finishes.
        if err := sem.Acquire(ctx, 1); err != nil {
            log.Printf("Failed to acquire semaphore: %v", err)
            break
        }

        go func(i int) {
            defer sem.Release(1)
            out[i] = collatzSteps(i + 1)
        }(i)
    }

    // 如果使用了 errgroup 原语则不需要下面这段语句
    if err := sem.Acquire(ctx, int64(maxWorkers)); err != nil {
        log.Printf("Failed to acquire semaphore: %v", err)
    }

    fmt.Println(out)

}

// collatzSteps computes the number of steps to reach 1 under the Collatz
// conjecture. (See https://en.wikipedia.org/wiki/Collatz_conjecture.)
func collatzSteps(n int) (steps int) {
    if n <= 0 {
        panic("nonpositive input")
    }

    for ; n > 1; steps++ {
        if steps < 0 {
            panic("too many steps")
        }

        if n%2 == 0 {
            n /= 2
            continue
        }

        const maxInt = int(^uint(0) >> 1)
        if n > (maxInt-1)/3 {
            panic("overflow")
        }
        n = 3*n + 1
    }

    return steps
}

上面先声明了总权重值为逻辑CPU数量,每次 for 循环都会调用一次 sem.Acquire(ctx, 1), 即表示最多每个CPU可运行一个 goroutine,如果当前权重值不足的话,其它groutine将处于阻塞状态,这里共循环32次,即阻塞数量最大为 32-maxWorkers

每获取成功一个权重就会执行go匿名函数,并在函数结束时释放权重。为了保证每次for循环都会正常结束,最后调用了 sem.Acquire(ctx, int64(maxWorkers)) ,表示最后一次执行必须获取的权重值为 maxWorkers。当然如果使用 errgroup 同步原语的话,这一步可以省略掉

以下为使用 errgroup 的方法

func main() {
    ctx := context.TODO()
    var (
        maxWorkers = runtime.GOMAXPROCS(0)
        sem        = semaphore.NewWeighted(int64(maxWorkers))
        out        = make([]int, 32)
    )

    group, _ := errgroup.WithContext(context.Background())
    for i := range out {
        if err := sem.Acquire(ctx, 1); err != nil {
            log.Printf("Failed to acquire semaphore: %v", err)
            break
        }
        group.Go(func() error {
            go func(i int) {
                defer sem.Release(1)
                out[i] = collatzSteps(i + 1)
            }(i)
            return nil
        })
    }

    // 这里会阻塞,直到所有goroutine都执行完毕
    if err := group.Wait(); err != nil {
        fmt.Println(err)
    }
    fmt.Println(out)
}

转自 https://blog.haohtml.com/arch...


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本文来自:Segmentfault

感谢作者:cfanbo

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