深入理解C#中的SemaphoreSlim信号量机制

在多线程和并发编程中，同步机制是不可或缺的，它帮助我们控制对共享资源的访问，以及管理线程间的协作。C#提供了多种同步原语，其中SemaphoreSlim是一个轻量级的同步原语，用于控制访问有限数量的资源。本文将深入探讨SemaphoreSlim的特点、构造函数、常用方法，并通过实例来展示其用法。

SemaphoreSlim简介

SemaphoreSlim是.NET Framework中System.Threading命名空间下的一个类，它提供了一个信号量机制，允许多个线程同时访问一定数量的资源。与Semaphore类相比，SemaphoreSlim是一个更轻量级的版本，专为需要高性能的场景设计，它主要适用于任务和异步编程。

SemaphoreSlim的特点

轻量级：SemaphoreSlim提供了一个简单而高效的信号量机制，相较于Semaphore，它在性能上有所优化，特别是在同一进程内部使用时。
灵活性：支持同步和异步的等待操作，使得它在异步编程中非常有用。
限制并发访问：可以限制对共享资源或共享操作的并发访问数量，从而实现对资源的有效管理。

SemaphoreSlim的构造函数

SemaphoreSlim提供了三个构造函数：

SemaphoreSlim(int initialCount)：初始化SemaphoreSlim的实例，设置初始的信号量计数。
SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount)：初始化SemaphoreSlim的实例，设置初始的信号量计数和最大信号量计数。
SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount, CancellationToken cancellationToken)：此构造函数不存在。SemaphoreSlim不直接在构造函数中支持CancellationToken，但其WaitAsync方法支持。

SemaphoreSlim的常用方法

Wait和WaitAsync：请求进入信号量，如果当前计数大于0，则进入并将计数减1；如果计数为0，则等待直到其他线程释放信号量。
Release：释放信号量，将计数增加指定的值。
Dispose：释放SemaphoreSlim使用的所有资源。

示例：使用SemaphoreSlim控制访问

示例1：基本用法

C#
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(3); // 最多允许3个线程同时访问

    static void AccessDatabase(string name, int seconds)
    {
        Console.WriteLine($"{name} waits to access a database.");
        semaphoreSlim.Wait();

        Console.WriteLine($"{name} is accessing the database.");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds)); // 模拟数据库访问
        Console.WriteLine($"{name} is done.");

        semaphoreSlim.Release();
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 1; i <= 5; i++)
        {
            int id = i;
            Task.Run(() => AccessDatabase($"Task {id}", id));
        }

        Console.ReadLine();
    }
}

这个例子创建了一个SemaphoreSlim实例，允许最多3个线程同时访问数据库。通过Wait和Release方法，我们控制了对数据库访问的并发数。

示例2：异步用法

C#
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

class Program
{
    static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(3); // 最多允许3个任务同时执行

    static async Task AccessResourceAsync(string name, int seconds)
    {
        Console.WriteLine($"{name} waits to access a resource.");
        await semaphoreSlim.WaitAsync();

        Console.WriteLine($"{name} is accessing the resource.");
        await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(seconds)); // 模拟异步操作
        Console.WriteLine($"{name} is done.");

        semaphoreSlim.Release();
    }

    static async Task Main(string[] args)
    {
        Task[] tasks = new Task[5];
        for (int i = 1; i <= 5; i++)
        {
            int id = i;
            tasks[i - 1] = AccessResourceAsync($"Task {id}", id);
        }

        await Task.WhenAll(tasks);

        Console.WriteLine("All tasks have been completed.");
    }
}

在这个异步示例中，我们使用WaitAsync方法替代了Wait方法，以非阻塞的方式等待信号量。这对于异步编程场景特别有用，因为它避免了在等待时阻塞线程。

总结

SemaphoreSlim是C#中一个非常有用的同步原语，它提供了一种高效的方式来控制对共享资源的并发访问。通过上述示例，我们可以看到SemaphoreSlim在同步和异步编程中的应用。掌握SemaphoreSlim的使用，对于开发高效、可靠的多线程和异步应用程序至关重要。

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