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Quando o código assíncrono precisar de limitação de taxa, exclusão mútua ou coordenação de leitor/escritor, use os tipos integrados do .NET em vez de criar os seus próprios. Este artigo mostra como aplicar esses tipos e, em seguida, percorre implementações personalizadas para explicar como eles funcionam internamente.
Semáforo assíncrono – limitar o acesso simultâneo
Um semáforo limita quantos chamadores podem acessar um recurso simultaneamente. SemaphoreSlim fornece um WaitAsync método que permite aguardar a entrada sem bloquear um thread:
public static class SemaphoreSlimDemo
{
public static async Task RunAsync()
{
using var semaphore = new SemaphoreSlim(3);
Task[] tasks = Enumerable.Range(1, 6).Select(id => Task.Run(async () =>
{
await semaphore.WaitAsync();
try
{
Console.WriteLine($"Task {id}: entered (count = {semaphore.CurrentCount})");
await Task.Delay(100);
}
finally
{
semaphore.Release();
Console.WriteLine($"Task {id}: released");
}
})).ToArray();
await Task.WhenAll(tasks);
}
}
Public Module SemaphoreSlimDemo
Public Async Function RunAsync() As Task
Using semaphore As New SemaphoreSlim(3)
Dim tasks As Task() = Enumerable.Range(1, 6).Select(
Function(id) Task.Run(Async Function()
Await semaphore.WaitAsync()
Try
Console.WriteLine($"Task {id}: entered (count = {semaphore.CurrentCount})")
Await Task.Delay(100)
Finally
semaphore.Release()
Console.WriteLine($"Task {id}: released")
End Try
End Function)).ToArray()
Await Task.WhenAll(tasks)
End Using
End Function
End Module
Sempre emparelhe WaitAsync com Release em um try/finally bloco. Se você esquecer de liberar o bloqueio, a contagem do semáforo nunca aumentará e outros chamadores esperarão indefinidamente.
Como funciona um semáforo assíncrono
Internamente, um semáforo assíncrono mantém uma contagem e uma fila de esperas. Quando a contagem está acima de zero, WaitAsync diminui a contagem e retorna imediatamente. Quando a contagem é zero, WaitAsync enfileira uma TaskCompletionSource e retorna sua tarefa.
Release remove um esperador da fila e o completa ou incrementa a contagem:
// Educational only — use SemaphoreSlim instead of this sample implementation.
public class AsyncSemaphore
{
private readonly Queue<TaskCompletionSource> _waiters = new();
private int _currentCount;
public AsyncSemaphore(int initialCount)
{
ArgumentOutOfRangeException.ThrowIfNegative(initialCount, nameof(initialCount));
_currentCount = initialCount;
}
public Task WaitAsync()
{
lock (_waiters)
{
if (_currentCount > 0)
{
_currentCount--;
return Task.CompletedTask;
}
else
{
var waiter = new TaskCompletionSource(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
_waiters.Enqueue(waiter);
return waiter.Task;
}
}
}
public void Release()
{
TaskCompletionSource? toRelease = null;
lock (_waiters)
{
if (_waiters.Count > 0)
toRelease = _waiters.Dequeue();
else
_currentCount++;
}
toRelease?.TrySetResult();
}
}
' Educational only — use SemaphoreSlim instead of this sample implementation.
Public Class AsyncSemaphore
Private ReadOnly _waiters As New Queue(Of TaskCompletionSource)()
Private _currentCount As Integer
Public Sub New(initialCount As Integer)
If initialCount < 0 Then Throw New ArgumentOutOfRangeException(NameOf(initialCount))
_currentCount = initialCount
End Sub
Public Function WaitAsync() As Task
SyncLock _waiters
If _currentCount > 0 Then
_currentCount -= 1
Return Task.CompletedTask
Else
Dim waiter As New TaskCompletionSource(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously)
_waiters.Enqueue(waiter)
Return waiter.Task
End If
End SyncLock
End Function
Public Sub Release()
Dim toRelease As TaskCompletionSource = Nothing
SyncLock _waiters
If _waiters.Count > 0 Then
toRelease = _waiters.Dequeue()
Else
_currentCount += 1
End If
End SyncLock
toRelease?.TrySetResult()
End Sub
End Class
O método Release completa a TaskCompletionSource fora do bloqueio, assim como o AsyncAutoResetEvent em Construir primitivas de coordenação assíncrona. Essa abordagem impede que continuações síncronas sejam executadas enquanto o bloqueio é mantido.
Note
AsyncSemaphore é uma implementação educacional. Use SemaphoreSlim em vez disso — ele suporta tokens de cancelamento, timeouts e foi exaustivamente testado.
Bloqueio assíncrono: exclusão mútua entre awaits
Um bloqueio com uma contagem de 1 fornece exclusão mútua. A instrução lock do C# e Lock (.NET 9+) não funcionam entre limites await porque são afins à thread. Em um bloqueio afinidade à thread, a mesma thread que adquire o bloqueio deve ser a que o libera. Através de um await, a thread que retoma a continuação pode não ser a thread que adquiriu o bloqueio, o que viola esse requisito. Use SemaphoreSlim com uma contagem de 1 em vez disso:
public static class SemaphoreSlimAsLockDemo
{
private static readonly SemaphoreSlim s_lock = new(1, 1);
private static int s_sharedCounter;
public static async Task RunAsync()
{
Task[] tasks = Enumerable.Range(1, 5).Select(_ => Task.Run(async () =>
{
await s_lock.WaitAsync();
try
{
int before = s_sharedCounter;
await Task.Delay(10);
s_sharedCounter = before + 1;
}
finally
{
s_lock.Release();
}
})).ToArray();
await Task.WhenAll(tasks);
Console.WriteLine($"Counter = {s_sharedCounter} (expected 5)");
}
}
Public Module SemaphoreSlimAsLockDemo
Private ReadOnly s_lock As New SemaphoreSlim(1, 1)
Private s_sharedCounter As Integer
Public Async Function RunAsync() As Task
Dim tasks As Task() = Enumerable.Range(1, 5).Select(
Function(unused) Task.Run(Async Function()
Await s_lock.WaitAsync()
Try
Dim before As Integer = s_sharedCounter
Await Task.Delay(10)
s_sharedCounter = before + 1
Finally
s_lock.Release()
End Try
End Function)).ToArray()
Await Task.WhenAll(tasks)
Console.WriteLine($"Counter = {s_sharedCounter} (expected 5)")
End Function
End Module
Como funciona um bloqueio assíncrono
Você pode encapsular o padrão de semáforo em um tipo que seja compatível com using para liberação automática. O LockAsync método retorna um descartável Releaser; quando o Releaser é descartado, libera o semáforo:
// Educational only — use SemaphoreSlim(1, 1) with try/finally instead of this sample implementation.
public class AsyncLock : IDisposable
{
private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new(1, 1);
private readonly Task<Releaser> _releaser;
public AsyncLock()
{
_releaser = Task.FromResult(new Releaser(this));
}
public Task<Releaser> LockAsync()
{
Task wait = _semaphore.WaitAsync();
return wait.IsCompleted
? _releaser
: wait.ContinueWith(
(_, state) => new Releaser((AsyncLock)state!),
this,
CancellationToken.None,
TaskContinuationOptions.ExecuteSynchronously,
TaskScheduler.Default);
}
public struct Releaser : IDisposable
{
private readonly AsyncLock? _toRelease;
internal Releaser(AsyncLock toRelease) => _toRelease = toRelease;
public void Dispose() => _toRelease?._semaphore.Release();
}
public void Dispose() => _semaphore.Dispose();
}
' Educational only — use SemaphoreSlim(1, 1) with Try/Finally instead of this sample implementation.
Public Class AsyncLock
Implements IDisposable
Private ReadOnly _semaphore As New SemaphoreSlim(1, 1)
Private ReadOnly _releaser As Task(Of Releaser)
Public Sub New()
_releaser = Task.FromResult(New Releaser(Me))
End Sub
Public Function LockAsync() As Task(Of Releaser)
Dim wait As Task = _semaphore.WaitAsync()
If wait.IsCompleted Then
Return _releaser
Else
Return wait.ContinueWith(
Function(unused, state) New Releaser(DirectCast(state, AsyncLock)),
Me,
CancellationToken.None,
TaskContinuationOptions.ExecuteSynchronously,
TaskScheduler.Default)
End If
End Function
Public Structure Releaser
Implements IDisposable
Private ReadOnly _toRelease As AsyncLock
Friend Sub New(toRelease As AsyncLock)
_toRelease = toRelease
End Sub
Public Sub Dispose() Implements IDisposable.Dispose
_toRelease?._semaphore.Release()
End Sub
End Structure
Public Sub Dispose() Implements IDisposable.Dispose
_semaphore.Dispose()
End Sub
End Class
O uso é conciso e seguro:
public static class AsyncLockDemo
{
private static readonly AsyncLock s_lock = new();
private static int s_sharedValue;
public static async Task RunAsync()
{
Task[] tasks = Enumerable.Range(1, 5).Select(id => Task.Run(async () =>
{
using (await s_lock.LockAsync())
{
int before = s_sharedValue;
await Task.Delay(10);
s_sharedValue = before + 1;
Console.WriteLine($"Task {id}: incremented to {s_sharedValue}");
}
})).ToArray();
await Task.WhenAll(tasks);
Console.WriteLine($"Final value = {s_sharedValue} (expected 5)");
}
}
Public Module AsyncLockDemo
Private ReadOnly s_lock As New AsyncLock()
Private s_sharedValue As Integer
Public Async Function RunAsync() As Task
Dim tasks As Task() = Enumerable.Range(1, 5).Select(
Function(id) Task.Run(Async Function()
Using Await s_lock.LockAsync()
Dim before As Integer = s_sharedValue
Await Task.Delay(10)
s_sharedValue = before + 1
Console.WriteLine($"Task {id}: incremented to {s_sharedValue}")
End Using
End Function)).ToArray()
Await Task.WhenAll(tasks)
Console.WriteLine($"Final value = {s_sharedValue} (expected 5)")
End Function
End Module
Note
AsyncLock é uma implementação educacional. Use SemaphoreSlim inicializado para 1 com try/finally diretamente — o AsyncLock mostrado aqui ilustra o padrão de liberação descartável, mas não adiciona recursos além do que SemaphoreSlim fornece.
Coordenação assíncrona de leitor/escritor
Uma trava de leitor/escritor permite vários leitores simultâneos, mas apenas um escritor exclusivo. O .NET fornece ConcurrentExclusiveSchedulerPair, que oferece agendamento de leitura/gravação para tarefas por meio de duas instâncias de TaskScheduler:
- ConcurrentScheduler — executa tarefas simultaneamente (como leitores), desde que nenhuma tarefa exclusiva esteja ativa.
- ExclusiveScheduler — executa tarefas exclusivamente (como escritores), sem nenhuma outra tarefa em execução.
public static class ConcurrentExclusiveDemo
{
public static async Task RunAsync()
{
var pair = new ConcurrentExclusiveSchedulerPair();
var factory = new TaskFactory(pair.ExclusiveScheduler);
int sharedValue = 0;
Task writerTask = factory.StartNew(() =>
{
sharedValue = 42;
Console.WriteLine($"Writer: set value to {sharedValue}");
});
var readerFactory = new TaskFactory(pair.ConcurrentScheduler);
Task[] readerTasks = Enumerable.Range(1, 3).Select(id =>
readerFactory.StartNew(() =>
{
Console.WriteLine($"Reader {id}: value = {sharedValue}");
})).ToArray();
await writerTask;
await Task.WhenAll(readerTasks);
}
}
Public Module ConcurrentExclusiveDemo
Public Async Function RunAsync() As Task
Dim pair As New ConcurrentExclusiveSchedulerPair()
Dim exclusiveFactory As New TaskFactory(pair.ExclusiveScheduler)
Dim sharedValue As Integer = 0
Dim writerTask As Task = exclusiveFactory.StartNew(Sub()
sharedValue = 42
Console.WriteLine($"Writer: set value to {sharedValue}")
End Sub)
Dim readerFactory As New TaskFactory(pair.ConcurrentScheduler)
Dim readerTasks As Task() = Enumerable.Range(1, 3).Select(
Function(id) readerFactory.StartNew(Sub()
Console.WriteLine($"Reader {id}: value = {sharedValue}")
End Sub)).ToArray()
Await writerTask
Await Task.WhenAll(readerTasks)
End Function
End Module
Importante
ConcurrentExclusiveSchedulerPair protege no nível da tarefa, não entre await fronteiras. Se uma tarefa enfileirada no ExclusiveScheduler contiver um await em uma operação incompleta, o bloqueio exclusivo será liberado quando o await ceder o controle e será readquirido quando a continuação for executada. Outra tarefa exclusiva ou simultânea pode ser executada durante essa lacuna. Esse comportamento funciona bem quando você protege estruturas de dados na memória e garante que nenhum await interrompa a seção crítica. Para cenários que exigem a manutenção do bloqueio durante esperas, use um AsyncReaderWriterLock personalizado como o mostrado na seção a seguir.
Bloqueio assíncrono personalizado para leitura e gravação
A implementação a seguir dá aos escritores prioridade sobre os leitores. Quando um escritor está esperando, novos leitores fazem fila atrás dele. Quando um gravador termina e nenhum outro gravador está esperando, todos os leitores enfileirados são executados juntos:
public class AsyncReaderWriterLock
{
private readonly Queue<TaskCompletionSource<Releaser>> _waitingWriters = new();
private TaskCompletionSource<Releaser> _waitingReader =
new(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
private int _readersWaiting;
private int _status; // 0 = free, -1 = writer active, >0 = reader count
private readonly Task<Releaser> _readerReleaser;
private readonly Task<Releaser> _writerReleaser;
public AsyncReaderWriterLock()
{
_readerReleaser = Task.FromResult(new Releaser(this, isWriter: false));
_writerReleaser = Task.FromResult(new Releaser(this, isWriter: true));
}
public Task<Releaser> ReaderLockAsync()
{
lock (_waitingWriters)
{
if (_status >= 0 && _waitingWriters.Count == 0)
{
_status++;
return _readerReleaser;
}
else
{
_readersWaiting++;
return _waitingReader.Task;
}
}
}
public Task<Releaser> WriterLockAsync()
{
lock (_waitingWriters)
{
if (_status == 0)
{
_status = -1;
return _writerReleaser;
}
else
{
var waiter = new TaskCompletionSource<Releaser>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
_waitingWriters.Enqueue(waiter);
return waiter.Task;
}
}
}
private void ReaderRelease()
{
TaskCompletionSource<Releaser>? toWake = null;
lock (_waitingWriters)
{
_status--;
if (_status == 0 && _waitingWriters.Count > 0)
{
_status = -1;
toWake = _waitingWriters.Dequeue();
}
}
toWake?.SetResult(new Releaser(this, isWriter: true));
}
private void WriterRelease()
{
TaskCompletionSource<Releaser>? toWake = null;
bool toWakeIsWriter = false;
lock (_waitingWriters)
{
if (_waitingWriters.Count > 0)
{
toWake = _waitingWriters.Dequeue();
toWakeIsWriter = true;
}
else if (_readersWaiting > 0)
{
toWake = _waitingReader;
_status = _readersWaiting;
_readersWaiting = 0;
_waitingReader = new TaskCompletionSource<Releaser>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);
}
else
{
_status = 0;
}
}
toWake?.SetResult(new Releaser(this, toWakeIsWriter));
}
public struct Releaser : IDisposable
{
private readonly AsyncReaderWriterLock? _lock;
private readonly bool _isWriter;
internal Releaser(AsyncReaderWriterLock lockObj, bool isWriter)
{
_lock = lockObj;
_isWriter = isWriter;
}
public void Dispose()
{
if (_lock is not null)
{
if (_isWriter) _lock.WriterRelease();
else _lock.ReaderRelease();
}
}
}
}
Public Class AsyncReaderWriterLock
Private ReadOnly _waitingWriters As New Queue(Of TaskCompletionSource(Of Releaser))()
Private _waitingReader As New TaskCompletionSource(Of Releaser)(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously)
Private _readersWaiting As Integer
Private _status As Integer ' 0 = free, -1 = writer active, >0 = reader count
Private ReadOnly _readerReleaser As Task(Of Releaser)
Private ReadOnly _writerReleaser As Task(Of Releaser)
Public Sub New()
_readerReleaser = Task.FromResult(New Releaser(Me, isWriter:=False))
_writerReleaser = Task.FromResult(New Releaser(Me, isWriter:=True))
End Sub
Public Function ReaderLockAsync() As Task(Of Releaser)
SyncLock _waitingWriters
If _status >= 0 AndAlso _waitingWriters.Count = 0 Then
_status += 1
Return _readerReleaser
Else
_readersWaiting += 1
Return _waitingReader.Task
End If
End SyncLock
End Function
Public Function WriterLockAsync() As Task(Of Releaser)
SyncLock _waitingWriters
If _status = 0 Then
_status = -1
Return _writerReleaser
Else
Dim waiter As New TaskCompletionSource(Of Releaser)(
System.Threading.Tasks.TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously)
_waitingWriters.Enqueue(waiter)
Return waiter.Task
End If
End SyncLock
End Function
Private Sub ReaderRelease()
Dim toWake As TaskCompletionSource(Of Releaser) = Nothing
SyncLock _waitingWriters
_status -= 1
If _status = 0 AndAlso _waitingWriters.Count > 0 Then
_status = -1
toWake = _waitingWriters.Dequeue()
End If
End SyncLock
toWake?.SetResult(New Releaser(Me, isWriter:=True))
End Sub
Private Sub WriterRelease()
Dim toWake As TaskCompletionSource(Of Releaser) = Nothing
Dim toWakeIsWriter As Boolean = False
SyncLock _waitingWriters
If _waitingWriters.Count > 0 Then
toWake = _waitingWriters.Dequeue()
toWakeIsWriter = True
ElseIf _readersWaiting > 0 Then
toWake = _waitingReader
_status = _readersWaiting
_readersWaiting = 0
_waitingReader = New TaskCompletionSource(Of Releaser)(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously)
Else
_status = 0
End If
End SyncLock
toWake?.SetResult(New Releaser(Me, toWakeIsWriter))
End Sub
Public Structure Releaser
Implements IDisposable
Private ReadOnly _lock As AsyncReaderWriterLock
Private ReadOnly _isWriter As Boolean
Friend Sub New(lockObj As AsyncReaderWriterLock, isWriter As Boolean)
_lock = lockObj
_isWriter = isWriter
End Sub
Public Sub Dispose() Implements IDisposable.Dispose
If _lock IsNot Nothing Then
If _isWriter Then
_lock.WriterRelease()
Else
_lock.ReaderRelease()
End If
End If
End Sub
End Structure
End Class
O uso segue o mesmo padrão de liberador descartável que AsyncLock:
public static class AsyncReaderWriterLockDemo
{
private static readonly AsyncReaderWriterLock s_rwLock = new();
private static string s_data = "initial";
public static async Task RunAsync()
{
Task writer = Task.Run(async () =>
{
using (await s_rwLock.WriterLockAsync())
{
Console.WriteLine("Writer: acquired exclusive lock");
await Task.Delay(50);
s_data = "updated";
Console.WriteLine("Writer: data updated");
}
});
Task[] readers = Enumerable.Range(1, 3).Select(id => Task.Run(async () =>
{
await Task.Delay(10);
using (await s_rwLock.ReaderLockAsync())
{
Console.WriteLine($"Reader {id}: data = {s_data}");
}
})).ToArray();
await writer;
await Task.WhenAll(readers);
}
}
Public Module AsyncReaderWriterLockDemo
Private ReadOnly s_rwLock As New AsyncReaderWriterLock()
Private s_data As String = "initial"
Public Async Function RunAsync() As Task
Dim writer As Task = Task.Run(Async Function()
Using Await s_rwLock.WriterLockAsync()
Console.WriteLine("Writer: acquired exclusive lock")
Await Task.Delay(50)
s_data = "updated"
Console.WriteLine("Writer: data updated")
End Using
End Function)
Dim readers As Task() = Enumerable.Range(1, 3).Select(
Function(id) Task.Run(Async Function()
Await Task.Delay(10)
Using Await s_rwLock.ReaderLockAsync()
Console.WriteLine($"Reader {id}: data = {s_data}")
End Using
End Function)).ToArray()
Await writer
Await Task.WhenAll(readers)
End Function
End Module
Dica
Um bloqueio de leitura/gravação em produção requer testes completos para casos extremos: reentrância, caminhos de erro, cancelamento e políticas de justiça. Considere bibliotecas estabelecidas (como Nito.AsyncEx) antes de criar suas próprias.
Canais como um padrão de coordenação alternativo
Channel<T> fornece uma fila produtor-consumidor thread-safe que permite leituras e gravações de async. Canais delimitados (CreateBounded) fornecem contrapressão natural, substituindo alguns cenários onde você usaria um semáforo para controle de fluxo.
Para obter mais informações, consulte System.Threading.Channels.