本文转载自微信公众号《Golang来了》，作者Seekload。本文转载请联系Golang公众号。大家好，我是四哥。信号量是并发编程中常用的同步机制。它在标准库的并发原语中被频繁使用，比如Mutex、WaitGroup等，这些并发原语的实现都有信号量的影子，所以我们只有通过实现原理来学习理解信号量量，做到“知其然，又知其所以然”，我们才能有更多的“武器”来应对我们面临的实际业务场景问题。今天我们要修复信号量。通过本文，您可以掌握：什么是信号量？有哪些操作？Go官方是如何实现信号量的？实际场景中如何使用信号量？使用信号量需要注意哪些问题？还有其他实现信号量的方法吗？什么是信号量？有哪些操作？维基百科对信号量的解释如下：在不同的操作系统中。在系统中，每个进程都会被赋予一个信号量，它代表了每个进程的当前状态。没有被控制的进程会被强制停在特定的地方，等待信号继续。下面用G来表示goroutine。通俗的解释是，信号量通常用一个整型变量S来表示一组资源。当G等待完信号量时，S会减1。当G完成释放信号量时，S会加1。当计数值为0时，G调用wait等待信号量会阻塞，除非S是大于0，等待的G会解除阻塞并成功返回。比如图书馆的10本书《Go 语言编程之旅》，10000人想看这本书，“僧多粥少”。所以，图书管理员会先让这10000人登记，按照登记的先后顺序借阅这本书。如果所有的书都借完了，其他想看书的人就得等了。如果有人还书，图书管理员会通知下一位同学借书。这里的资源是十本书《Go 语言编程之旅》。想看这本书的同学就是goroutines，图书管理员就是信号量。通过上面的解释，我们可以知道什么是信号量。实际上，信号量是一个变量或抽象数据类型，用于控制并发系统中多个进程对公共资源的访问。访问是原子的。信号量主要分为两类：计数信号量。上面提到的借书的例子就是计数信号量。它的计数可以是任何正整数；二值信号量实际上是一种特殊的计数信号量，它的值只有0或1，相当于一个互斥量。当值为1时，资源可用。当值为0时，资源被锁定，进程被阻塞，无法继续执行；PV操作信号量定义了两个操作P和V，P操作是减少信号量的计数值，V操作是增加信号量的计数值。通常，在初始化时，信号量S被赋值为n，就像一个池子里有n个资源。P操作相当于请求资源，如果资源可用，则立即返回；如果没有资源或者资源不够，G就会阻塞等待。V操作会释放持有的资源，并将资源返回给信号量。信号量的值只能通过P/V操作来改变，初始化操作除外。我们一般使用信号量来保护一组资源，比如数据库连接池，几台打印机资源等等。如果信号量转化为二进制信号量，那么它的P/V与互斥量的Lock/Unlock是一样的。信号量实现——官方扩展包Semaphore查看Go源码时，我们经常可以看到以下关于信号量的函数：s*uint32,handoffbool,skipframesint)这些函数就是信号量的PV操作。不幸的是，它们被Go运行时内部使用，并没有被打包和暴露为外部信号量并发源。语言，我们没有办法使用它。不过没关系，Go在它的扩展包中提供了一个semaphore信号量，只不过这个信号量的类型名不叫Semaphore，而是Weighted。这是一个加权信号量。接下来我们重点分析一下这个库。Weighted的实现思路：使用mutex+List实现。mutex实现了对其他字段的保护，而List实现了一个等待队列，waiter的通知是通过Channel的通知机制实现的。加权主要包括两种结构和几种常用的方法。StructuretypeWeightedstruct{sizeint64//最大资源数，初始化时指定curint64//计数器，当前使用的资源数musync.Mutex//mutex，保护字段waiterslist.List//wait等待者列表，当前阻塞等待的请求者goroutine}各字段含义见代码注释，其中waiters中存放的数据为waiter对象，waiter数据结构如下：typewaiterstruct{nint64//The调用者请求的资源数readychan<-struct{}//当调用者可以获得信号量资源时，关闭chan，调用者会收到通知，成功返回}字段含义见注释。这里是初始化资源个数NewWeighted的方法，很简单：//CreateasemaphorewithnresourcesfuncNewWeighted(nint64)*Weighted{w:=&Weighted{size:n}returnw}方法一。阻塞获取资源方法——Acquire()，源码如下：func(s*Weighted)Acquire(ctxcontext.Context,nint64)error{s.mu.Lock()//有可用资源，如果s.size-s则直接返回。cur>=n&&s.waiters.Len()==0{s.cur+=ns.mu.Unlock()returnnil}//程序执行到这里表示没有足够的资源可以使用ifn>s.size{s.mu.Unlock()<-ctx.Done()returnctx.Err()}//资源不足，构造一个waiter，加入等待队列//就绪通道用于通知被阻塞的调用者资源可用，释放资源的goroutine负责关闭，相当于消息通知ready:=make(chanstruct{})w:=waiter{n:n,ready:ready}elem:=s.waiters.PushBack(w)//添加到等待队列s.mu.Unlock()//调用者陷入selectblock，除非收到外部ctx的取消信号或被通知资源可用select{case<-ctx.Done()://接收到外部ctx控制信号err:=ctx.Err()s.mu.Lock()select{case<-ready://再次检查是否可以被唤醒，如果被唤醒，忽略控制信号，并返回nil表示成功err=nildefault://收到控制信息后没有获取到资源，删除原来添加的waiterisFront:=s.waiters.Front()==elem//当前waiter是否为链表头元素s.waiters.Remove(elem)//删除waiterifisFront&&s.size>s.cur{//如果为链表头元素且资源可用，尝试唤醒链表中的第一个Waitingwaiters.notifyWaiters()}}s.mu.Unlock()returnerrcase<-ready://消息通知，请求资源的goroutine被释放资源的goroutine唤醒returnnil}}详见注释，Acquire()相当于P操作，可以一次获取多个资源。如果没有足够的资源，调用者将被阻塞。可以通过第一个参数Context增加超时或者取消机制。如果正常获取资源，则返回nil；否则返回ctx.Err()，信号量不变。2、非阻塞资源获取方法——TryAcquire，源码如下：func(s*Weighted)TryAcquire(nint64)bool{s.mu.Lock()success:=s.size-s.cur>=n&&s.waiters.Len()==0ifsuccess{s.cur+=n}s.mu.Unlock()returnsuccess}这个方法比较简单，非阻塞获取指定个数resources，如果没有空闲资源，直接returnfalse。3.通知服务员notifyWaiters，源码如下：func(s*Weighted)notifyWaiters(){for{next:=s.waiters.Front()//获取队列头元素ifnext==nil{//队列中没有元素break}w:=next.Value.(waiter)ifs.size-s.cur
