JAVA 多线程之信号量(Semaphore)实例详解

java Semaphore

简介

        信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施, 它负责协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。

        一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。拿到信号量的线程可以进入代码，否则就等待。通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

概念

        Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得。

     以一个停车场运作为例。为了简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆不受阻碍的进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入一辆，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。

    在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。

    更进一步，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待） 和 Release（释放）。 当一个线程调用Wait（等待）操作时，它要么通过然后将信号量减一，要么一直等下去，直到信号量大于一或超时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为加操作实际上是释放了由信号量守护的资源。

    在Java中，还可以设置该信号量是否采用公平模式，如果以公平方式执行，则线程将会按到达的顺序（FIFO）执行，如果是非公平，则可以后请求的有可能排在队列的头部。
JDK中定义如下：

        Semaphore(int permits, boolean fair)

　　   创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。

    Semaphore当前在多线程环境下被扩放使用，操作系统的信号量是个很重要的概念，在进程控制方面都有应用。Java并发库Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。比如在Windows下可以设置共享文件的最大客户端访问个数。

    Semaphore实现的功能就类似厕所有5个坑，假如有10个人要上厕所，那么同时只能有多少个人去上厕所呢？同时只能有5个人能够占用，当5个人中 的任何一个人让开后，其中等待的另外5个人中又有一个人可以占用了。另外等待的5个人中可以是随机获得优先机会，也可以是按照先来后到的顺序获得机会，这取决于构造Semaphore对象时传入的参数选项。单个信号量的Semaphore对象可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了“锁”，再由另一个线程释放“锁”，这可应用于死锁恢复的一些场合。

代码示例

import java.util.concurrent.ExecutorService; 
import java.util.concurrent.Executors; 
import java.util.concurrent.Semaphore; 
 
 
/** 
 * DateTime: 2015年1月1日 下午6:41:01 
 * 
 */ 
public class SemaPhore { 
  public static void main(String[] args) { 
    // 线程池 
    ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool(); 
    // 只能5个线程同时访问 
    final Semaphore semp = new Semaphore(5); 
    // 模拟20个客户端访问 
    for (int index = 0; index < 50; index++) { 
      final int NO = index; 
      Runnable run = new Runnable() { 
        public void run() { 
          try { 
            // 获取许可 
            semp.acquire(); 
            System.out.println("Accessing: " + NO); 
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 6000)); 
            // 访问完后，释放 
            semp.release(); 
            //availablePermits()指的是当前信号灯库中有多少个可以被使用 
            System.out.println("-----------------" + semp.availablePermits());  
          } catch (InterruptedException e) { 
            e.printStackTrace(); 
          } 
        } 
      }; 
      exec.execute(run); 
    } 
    // 退出线程池 
    exec.shutdown(); 
  } 

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