C# 限制平行執行緒數量的實作模式 (SemaphoreSlim / TPL Dataflow)

控制同時執行的執行緒數量是常見需求 (如限制並發下載、資料庫連線、API 呼叫)。早期常用 Thread + 計數器 + lock 手動實作，現代 C# 建議使用 SemaphoreSlim 或 TPL Dataflow 獲得更安全、可組合的方案。

方案一：SemaphoreSlim (輕量、同步/非同步通用)

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

public class ConcurrencyLimiter
{
    private readonly SemaphoreSlim _semaphore;

    public ConcurrencyLimiter(int maxConcurrency)
    {
        _semaphore = new SemaphoreSlim(maxConcurrency, maxConcurrency);
    }

    // 同步版本
    public void Execute(Action action)
    {
        _semaphore.Wait();
        try { action(); }
        finally { _semaphore.Release(); }
    }

    // 非同步版本 (推薦)
    public async Task ExecuteAsync(Func asyncAction)
    {
        await _semaphore.WaitAsync();
        try { await asyncAction(); }
        finally { _semaphore.Release(); }
    }
}

// 使用範例
var limiter = new ConcurrencyLimiter(3); // 最多 3 個並發
var tasks = new List();
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    int id = i;
    tasks.Add(limiter.ExecuteAsync(async () =>
    {
        Console.WriteLine($"Task {id} 開始");
        await Task.Delay(1000); // 模擬 I/O
        Console.WriteLine($"Task {id} 完成");
    }));
}
await Task.WhenAll(tasks);

方案二：TPL Dataflow ActionBlock (高吞吐、管線化)

using System.Threading.Tasks.Dataflow;

var block = new ActionBlock(async id =>
{
    Console.WriteLine($"Task {id} 開始");
    await Task.Delay(1000);
    Console.WriteLine($"Task {id} 完成");
}, new ExecutionDataflowBlockOptions
{
    MaxDegreeOfParallelism = 3, // 限制並發數
    // BoundedCapacity = 100 // 可選：輸入緩衝區上限，防止記憶體暴增
});

for (int i = 0; i < 10; i++)
    await block.SendAsync(i); // 非同步送入，自動背壓

block.Complete();
await block.Completion;

方案三：Parallel.ForEach + MaxDegreeOfParallelism (CPU 密集型)

Parallel.ForEach(items, new ParallelOptions { MaxDegreeOfParallelism = 4 }, item =>
{
    // CPU 密集運算
    ProcessItem(item);
});

比較與選擇建議

常見錯誤避坑

• 忘記 Release：一定要在 finally 區塊釋放，否則信號量會洩漏導致永久阻塞。
• 同步等待非同步：_semaphore.Wait() 會阻塞執行緒，UI/ASP.NET 應用請改用 await _semaphore.WaitAsync()。
• 過度限制：並發數設太低會降低吞吐量；建議從 Environment.ProcessorCount * 2 (I/O) 或 ProcessorCount (CPU) 開始調整。