Semaphore(信号量)的理解与使用

1、介绍

Semaphore(信号量)是用来控制同时访问特定资源的线程数量,通过协调各个线程以保证合理地使用公共资源。

Semaphore通过使用计数器来控制对共享资源的访问。 如果计数器大于0,则允许访问。 如果为0,则拒绝访问。 计数器所计数的是允许访问共享资源的许可。 因此,要访问资源,必须从信号量中授予线程许可。

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 的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。

Semaphore 维护了当前访问的个数,提供同步机制,控制同时访问的个数。在数据结构中链表可以保存“无限”的节点,用Semaphore可以实现有限大小的链表。另外重入锁 ReentrantLock 也可以实现该功能,但实现上要复杂些。

2、主要方法

void acquire() :从信号量获取一个许可,如果无可用许可前将一直阻塞等待,

void acquire(int permits) :获取指定数目的许可,如果无可用许可前也将会一直阻塞等待

boolean tryAcquire():从信号量尝试获取一个许可,如果无可用许可,直接返回false,不会阻塞

boolean tryAcquire(int permits): 尝试获取指定数目的许可,如果无可用许可直接返回false

boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
在指定的时间内尝试从信号量中获取许可,如果在指定的时间内获取成功,返回true,否则返回false

void release():释放一个许可,别忘了在finally中使用,注意:多次调用该方法,会使信号量的许可数增加,达到动态扩展的效果,如:初始permits为1,调用了两次release,最大许可会改变为2

int availablePermits(): 获取当前信号量可用的许可

Semaphore构造函数

 public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

permits: 初始许可数,也就是最大访问线程数
fair: 当设置为false时,创建的信号量为非公平锁;当设置为true时,信号量是公平锁

3、示例

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest1 {
    private static final int SEM_MAX = 10;
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore sem = new Semaphore(SEM_MAX);
        //创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);
        //在线程池中执行任务
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 5));
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 4));
        threadPool.execute(new MyThread(sem, 7));
        //关闭池
        threadPool.shutdown();
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private volatile Semaphore sem;    // 信号量
    private int count;        // 申请信号量的大小

    MyThread(Semaphore sem, int count) {
        this.sem = sem;
        this.count = count;
    }

    public void run() {
        try {
            // 从信号量中获取count个许可
            sem.acquire(count);

            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire count="+count);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放给定数目的许可,将其返回到信号量。
            sem.release(count);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release " + count + "");
        }
    }
}

运行结果:

pool-1-thread-1 acquire count=5
pool-1-thread-2 acquire count=4
pool-1-thread-1 release 5
pool-1-thread-2 release 4
pool-1-thread-3 acquire count=7
pool-1-thread-3 release 7

结果说明:信号量sem的许可总数是10个;共3个线程,分别需要获取的信号量许可数是5,4,7。前面两个线程获取到信号量的许可后,sem中剩余的可用的许可数是1;因此,最后一个线程必须等前两个线程释放了它们所持有的信号量许可之后,才能获取到7个信号量许可。

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