深入理解 SemaphoreSlim 在.NET Core API 开发中的应用

在.NET Core API 开发中，并发控制是保证系统稳定性和数据一致性的关键环节。当多个请求同时访问共享资源时，若不加以控制，很容易引发数据错乱、性能下降等问题。SemaphoreSlim作为.NET 框架中轻量级的信号量实现，为我们提供了简单而高效的并发控制方案。本文将详细介绍 SemaphoreSlim 的工作原理、使用方法以及在 Web 开发中的常见应用场景。

什么是 SemaphoreSlim

SemaphoreSlim 是.NET Framework 4.0 引入的轻量级信号量类，位于System.Threading命名空间下。它专为短期等待场景设计，相比传统的Semaphore类，具有更低的系统开销和更高的性能。

信号量的核心作用是限制同时访问某个资源的并发数量。可以将其理解为一个带计数器的门控机制：当计数器大于 0 时，允许线程进入并将计数器减 1；当计数器为 0 时，后续线程必须等待直到有线程释放资源（计数器加 1）。

与传统 Semaphore 相比，SemaphoreSlim 的优势在于：

不依赖操作系统内核对象，减少了用户态与内核态之间的切换开销

支持异步等待（WaitAsync方法），非常适合异步 API 开发

内存占用更小，创建和销毁的成本更低

支持取消令牌（CancellationToken），便于实现超时控制和操作取消

SemaphoreSlim 的核心方法

SemaphoreSlim 提供了一组简洁而强大的方法来实现并发控制，掌握这些方法是正确使用 SemaphoreSlim 的基础：

构造函数

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// 初始化一个可同时允许maxCount个线程访问的信号量
public SemaphoreSlim(int initialCount);
public SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount);

initialCount：信号量的初始计数，即初始允许的并发数量

maxCount：信号量的最大计数，规定了允许的最大并发数量

等待方法

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// 同步等待，直到信号量可用
public void Wait();
public bool Wait(int millisecondsTimeout);
public bool Wait(TimeSpan timeout);
public void Wait(CancellationToken cancellationToken);

// 异步等待，适合异步方法中使用
public Task WaitAsync();
public Task<bool> WaitAsync(int millisecondsTimeout);
public Task<bool> WaitAsync(TimeSpan timeout);
public Task WaitAsync(CancellationToken cancellationToken);

等待方法的作用是申请访问权限：当调用这些方法时，线程会尝试获取信号量。如果当前计数大于 0，计数减 1 并立即返回；否则，线程会进入等待状态，直到有其他线程释放信号量或等待超时 / 被取消。

释放方法

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// 释放信号量，增加计数
public void Release();
public int Release(int releaseCount);

释放方法用于归还访问权限：当线程完成对共享资源的访问后，应调用Release方法将信号量计数加 1，允许其他等待的线程获取访问权限。Release(int releaseCount)可以一次释放多个计数，但释放的总数不能超过maxCount。

基本使用模式

使用 SemaphoreSlim 的核心原则是 **"先等待，后访问，最后释放"**，通常遵循以下模式：

同步使用模式

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// 创建一个最多允许3个并发访问的信号量
private static readonly SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(3);

public void AccessResource()
{
    try
    {
        // 等待获取信号量
        _semaphore.Wait();
        
        // 访问共享资源的逻辑
        UseSharedResource();
    }
    finally
    {
        // 释放信号量，必须放在finally中确保一定会执行
        _semaphore.Release();
    }
}

异步使用模式（推荐在 API 中使用）

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private static readonly SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(3);

public async Task AccessResourceAsync()
{
    try
    {
        // 异步等待获取信号量
        await _semaphore.WaitAsync();
        
        // 异步访问共享资源的逻辑
        await UseSharedResourceAsync();
    }
    finally
    {
        // 释放信号量
        _semaphore.Release();
    }
}

在 Web 开发中的常见用途

在.NET Core API 开发中，SemaphoreSlim 有多种实用场景，尤其适合处理那些需要限制并发量的操作：

1. 限制 API 接口的并发请求数

当 API 接口调用涉及到资源密集型操作（如复杂计算、大数据处理）时，无限制的并发可能导致服务器资源耗尽。使用 SemaphoreSlim 可以限制同时处理的请求数量：

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[ApiController]
[Route("api/[controller]")]
public class DataProcessorController : ControllerBase
{
    // 限制最多5个并发请求
    private static readonly SemaphoreSlim _processorSemaphore = new SemaphoreSlim(5);
    
    [HttpPost("process")]
    public async Task<IActionResult> ProcessData([FromBody] DataRequest request)
    {
        try
        {
            // 等待获取处理权限，设置5秒超时
            if (!await _processorSemaphore.WaitAsync(5000))
            {
                return StatusCode(StatusCodes.Status429TooManyRequests, 
                    "当前请求过多，请稍后再试");
            }
            
            // 处理数据
            var result = await DataProcessor.ProcessAsync(request);
            return Ok(result);
        }
        finally
        {
            _processorSemaphore.Release();
        }
    }
}

2. 保护共享资源的并发访问

当多个请求需要访问同一个共享资源（如文件、非线程安全的服务实例）时，SemaphoreSlim 可以确保资源操作的原子性：

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public class FileService
{
    private readonly SemaphoreSlim _fileAccessSemaphore = new SemaphoreSlim(1);
    private readonly string _filePath = "data.json";
    
    public async Task UpdateFileAsync(string content)
    {
        await _fileAccessSemaphore.WaitAsync();
        try
        {
            // 读取当前内容
            var currentContent = await File.ReadAllTextAsync(_filePath);
            
            // 处理内容
            var newContent = ProcessContent(currentContent, content);
            
            // 写入新内容
            await File.WriteAllTextAsync(_filePath, newContent);
        }
        finally
        {
            _fileAccessSemaphore.Release();
        }
    }
}

3. 控制外部服务的调用频率

调用第三方 API 时，通常会有频率限制（Rate Limiting）。使用 SemaphoreSlim 可以控制并发调用数量，避免触发限制：

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public class ExternalApiClient
{
    private readonly HttpClient _httpClient;
    // 根据第三方API的限制设置并发数
    private readonly SemaphoreSlim _apiSemaphore = new SemaphoreSlim(10);
    private readonly int _apiTimeoutMs = 3000;
    
    public ExternalApiClient(HttpClient httpClient)
    {
        _httpClient = httpClient;
    }
    
    public async Task<TResult> CallApiAsync<TResult>(string endpoint)
    {
        try
        {
            // 等待获取调用权限
            if (!await _apiSemaphore.WaitAsync(_apiTimeoutMs))
            {
                throw new TimeoutException("等待调用第三方API超时");
            }
            
            // 调用外部API
            var response = await _httpClient.GetAsync(endpoint);
            response.EnsureSuccessStatusCode();
            
            return await response.Content.ReadFromJsonAsync<TResult>();
        }
        finally
        {
            _apiSemaphore.Release();
        }
    }
}

4. 实现分布式锁的本地补充

在分布式系统中，虽然需要分布式锁（如 Redis 锁）来跨实例同步，但结合 SemaphoreSlim 可以减少分布式锁的竞争：

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public class DistributedTaskService
{
    private readonly IDistributedLock _distributedLock;
    // 每个实例最多处理2个任务，减少分布式锁竞争
    private readonly SemaphoreSlim _localSemaphore = new SemaphoreSlim(2);
    
    public async Task ExecuteTaskAsync(string taskId)
    {
        // 先获取本地信号量，减少分布式锁的竞争
        await _localSemaphore.WaitAsync();
        try
        {
            // 再获取分布式锁
            using (var lockResult = await _distributedLock.AcquireLockAsync(taskId))
            {
                if (lockResult.Success)
                {
                    await ProcessTaskAsync(taskId);
                }
            }
        }
        finally
        {
            _localSemaphore.Release();
        }
    }
}

注意事项与最佳实践

虽然 SemaphoreSlim 使用简单，但在实际应用中仍需注意以下几点，以避免常见问题：

1. 确保正确释放信号量

最常见的错误是忘记释放信号量或在异常情况下未能释放，这会导致信号量计数永远无法恢复，最终所有请求都陷入无限等待。因此，务必将Release调用放在finally块中，确保无论是否发生异常都会执行。

2. 合理设置信号量的生命周期

在 Web 应用中，SemaphoreSlim 通常应声明为static或使用单例模式，以确保它在应用生命周期内保持状态。如果每次请求都创建新的 SemaphoreSlim 实例，将失去并发控制的作用。

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// 正确：静态字段，应用域内共享
private static readonly SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(5);

// 错误：每次实例化都会创建新的信号量
public class MyController : ControllerBase
{
    private readonly SemaphoreSlim _badSemaphore = new SemaphoreSlim(5);
    // ...
}

3. 避免过度限制并发

信号量的作用是 "限制" 而非 "禁止" 并发，设置过小的并发数会导致系统吞吐量下降。应根据实际负载测试结果，结合服务器资源（CPU、内存、IO 等）合理设置最大并发数。

4. 注意异步操作中的取消机制

在异步场景中，建议使用带CancellationToken的WaitAsync重载，以便在请求被取消（如客户端断开连接）时能够及时释放资源：

cs 复制代码

// 结合HTTP请求的取消令牌
public async Task<IActionResult> MyAction()
{
    try
    {
        // 使用RequestAborted令牌
        await _semaphore.WaitAsync(ControllerContext.HttpContext.RequestAborted);
        // ...
    }
    finally
    {
        _semaphore.Release();
    }
}

5. 警惕死锁风险

当使用多个信号量时，可能会出现死锁：线程 A 持有信号量 1 并等待信号量 2，而线程 B 持有信号量 2 并等待信号量 1。避免这种情况的方法是：

尽量使用单个信号量解决问题

如果必须使用多个信号量，确保所有线程按相同的顺序获取它们

6. 结合限流中间件使用

对于 API 级别的全局限流，SemaphoreSlim 可以与ASP.NET Core 的限流中间件配合使用，但注意不要重复限流导致性能问题。

7. 多实例部署的局限性

需要注意的是，SemaphoreSlim 是进程内的并发控制机制，无法跨多个应用实例同步。在多服务器、多容器部署的场景中，还需要结合分布式锁（如基于 Redis 或 ZooKeeper 的实现）才能实现全局的并发控制。

总结

SemaphoreSlim 是.NET Core API 开发中处理并发控制的得力工具，它轻量高效，支持异步操作，非常适合 Web 环境下的短期等待场景。通过合理使用 SemaphoreSlim，我们可以有效限制资源访问的并发数量，保护共享资源，控制外部服务调用频率，从而提高系统的稳定性和可靠性。

使用 SemaphoreSlim 的核心在于理解 "获取 - 使用 - 释放" 的模式，并始终牢记在finally块中释放信号量。同时，也要认识到它在多实例部署中的局限性，必要时结合分布式方案进行补充。掌握这些知识，将帮助你在实际开发中更好地应对并发挑战，构建更健壮的 API 服务。