Semáforos assíncronos, bloqueios e coordenação de leitores e escritores

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.

Consulte também