刚拿到阿里offer,还热乎的信号量semaphore面经

面试官一声冷笑：用过semaphore吧，说说信号量模型？

信号量模型可简单概括为：一个计数器，一个等待队列，三个方法。在信号量模型里，计数器和等待队列对外是透明的，所以只能通过信号量模型提供的三个方法来访问它们，这三个方法分别是：init()、down()和up()。你可以结合下图来形象化地理解。

• 信号量模型图
  

详细解释下里面提到的这些方法？

• init()
  设置计数器初始值。
• down()
  计数器-1；若此时计数器＜0，则当前线程被阻塞，否则当前线程可继续执行
• up()
  计数器+1；若此时计数器≤0，则唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除

这些方法都是原子性的，并且这个原子性是由信号量模型的实现方保证的。JDK里的信号量模型是由java.util.concurrent.Semaphore实现，Semaphore这个类能够保证这三个方法都是原子操作。

talk is cheap，show me code？

• 代码
  

信号量模型里面，down()、up()这两个操作历史上最早称为P操作和V操作，所以信号量模型也被称为PV原语。另外，还有些人喜欢用semWait()和semSignal()来称呼它们，虽然叫法不同，语义都相同。JUC的acquire()和release()就对应down()和up()。

如何使用信号量？

就像红绿信号灯，车必须先检查是否为绿灯，绿灯才能通过。
比如累加器，count+=1操作是个临界区，只允许一个线程执行，也就是说要保证互斥。

分析如下：假设两个线程t1、t2同时访问add()，当它们同时调用acquire()时，由于acquire()是一个原子操作，只可能有一个线程（假设t1）把信号量里的计数器减为0，t2则是将计数器减为-1:

• 对t1，信号量里面的计数器的值是0，大于等于0，所以t1会继续执行
• 对t2，信号量里面的计数器的值是-1，小于0，所以t2将被阻塞

所以此时只有线程T1会进入临界区执行count+=1。

当线程T1执行release()操作，也就是up()操作的时候，信号量里计数器的值是-1，加1之后的值是0，小于等于0，按照信号量模型里对up()操作的描述，此时等待队列中的T2将会被唤醒。于是T2在T1执行完临界区代码之后才获得了进入临界区执行的机会，从而保证了互斥性。

快速实现一个限流器
上面的例子，我们用信号量实现了一个最简单的互斥锁功能。估计你会觉得奇怪，既然有Java SDK里面提供了Lock，为啥还要提供一个Semaphore ？其实实现一个互斥锁，仅仅是 Semaphore的部分功能，Semaphore还有一个功能是Lock不容易实现的，那就是：Semaphore可以允许多个线程访问一个临界区。

现实中还有这种需求？有的。比较常见的需求就是我们工作中遇到的各种池化资源，例如连接池、对象池、线程池等等。其中，你可能最熟悉数据库连接池，在同一时刻，一定是允许多个线程同时使用连接池的，当然，每个连接在被释放前，是不允许其他线程使用的。

其实前不久，我在工作中也遇到了一个对象池的需求。所谓对象池呢，指的是一次性创建出N个对象，之后所有的线程重复利用这N个对象，当然对象在被释放前，也是不允许其他线程使用的。对象池，可以用List保存实例对象，这个很简单。但关键是限流器的设计，这里的限流，指的是不允许多于N个线程同时进入临界区。那如何快速实现一个这样的限流器呢？这种场景，我立刻就想到了信号量的解决方案。

信号量的计数器，在上面的例子中，我们设置成了1，这个1表示只允许一个线程进入临界区，但如果我们把计数器的值设置成对象池里对象的个数N，就能完美解决对象池的限流问题了。下面就是对象池的示例代码。

class ObjPool<T, R> {
     
  final List<T> pool;
  // 用信号量实现限流器
  final Semaphore sem;
  // 构造函数
  ObjPool(int size, T t){
     
    pool = new Vector<T>(){
     };
    for(int i=0; i<size; i++){
     
      pool.add(t);
    }
    sem = new Semaphore(size);
  }
  // 利用对象池的对象，调用func
  R exec(Function<T,R> func) {
     
    T t = null;
    sem.acquire();
    try {
     
      t = pool.remove(0);
      return func.apply(t);
    } finally {
     
      pool.add(t);
      sem.release();
    }
  }
}
// 创建对象池
ObjPool<Long, String> pool = 
  new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通过对象池获取t，之后执行  
pool.exec(t -> {
     
    System.out.println(t);
    return t.toString();
});

我们用一个List来保存对象实例，用Semaphore实现限流器。关键的代码是ObjPool里面的exec()方法，这个方法里面实现了限流的功能。在这个方法里面，我们首先调用acquire()方法（与之匹配的是在finally里面调用release()方法），假设对象池的大小是10，信号量的计数器初始化为10，那么前10个线程调用acquire()方法，都能继续执行，相当于通过了信号灯，而其他线程则会阻塞在acquire()方法上。对于通过信号灯的线程，我们为每个线程分配了一个对象 t（这个分配工作是通过pool.remove(0)实现的），分配完之后会执行一个回调函数func，而函数的参数正是前面分配的对象 t ；执行完回调函数之后，它们就会释放对象（这个释放工作是通过pool.add(t)实现的），同时调用release()方法来更新信号量的计数器。如果此时信号量里计数器的值小于等于0，那么说明有线程在等待，此时会自动唤醒等待的线程。

简言之，使用信号量，我们可以轻松地实现一个限流器，使用起来还是非常简单的。

信号量在Java语言里面名气并不算大，但是在其他语言里却是很有知名度的。Java在并发编程领域走的很快，重点支持的还是管程模型。 管程模型理论上解决了信号量模型的一些不足，主要体现在易用性和工程化方面，例如用信号量解决我们曾经提到过的阻塞队列问题，就比管程模型麻烦很多。