Semaphore的概念及基本用法

Semaphore的概念及基本用法

Semaphore这个英文单词的意思是信号灯，即发送信号的那种灯。Java并发工具包中的Semaphore类则是线程之间互相发送信号的工具。我们可以把Semaphore看作一个包含多个许可（permit）的集合，例如一个代表5个许可的Semaphore、6个许可的Semaphore等等（为便于表达，后文用字母P表示许可）。Semaphore上的acuqire操作申请P，而release操作则产生P，Semaphore可用于追踪可用资源的个数。

用法1: 基本用法（使用步骤）：

1. 在代码中的某个地方创建Semaphore(第2个构造参数是公平策略)

Semaphore semaphore = new Semaphore(5, false);

2. 生产者负责调用Semaphore.release，往Semaphore中增加P。

3. 消费者负责调用Semaphore.acquire，从Semaphore取出P。

用法2: 单机限流用法：

Semaphore也可以来实现一个单机限流工具（针对单台机器的线程而言）——即限制同时访问某资源的线程数。实现思路：让1个线程以固定的速度生产P，而让多个线程消费P，这样，消费者线程就能以低于某个上限的速度消费资源，不会导致系统超负荷。

用法3: 特殊用法

我们可以创建一个只有1个P的Semaphore，即二元信号量。它的功能与锁类似，但是没有所有权的概念。然后，我们可以在一个线程中进行加锁（acquire），而在另一个线程中执行解锁动作（release），并且负责解锁的线程不需要事先获得这个锁。与之相反，ReentrantLock的加锁和解锁动作都必须在同一个线程中完成。

Semaphore的实现原理

首先，Semaphore内部并没有真正保存P，而是只保存了P的个数。其次，Semaphore直接复用了AbstractQueueSyncrhonizer框架的共享模式锁，其acquire和release操作直接调用共享模式的AQS加锁和AQS解锁，没有增加其他逻辑，只不过在加锁和解锁的过程中，是把P的个数存入AQS原子整数。

具体的讲，Semaphore的acquire操作（acquireUninterruptibly操作及tryAcquire操作都与acquire类似）尝试取走1个P，而如果P的个数等于0无法取出就阻塞等待。acquire的全部实现就是直接调用AQS类的
acquireSharedInterruptibly方法，仅1行。

Semaphore的release操作也非常简单，直接调用AQS的releaseShared方法。

AQS框架的共享模式与独占模式

那么这里的
acquireSharedInterruptibly() 和releaseShared()又分别执行了什么操作呢？其实acquireSharedInterruptibly和releaseShared分别是AQS共享模式的加锁操作和解锁操作，它们与独占模式的加锁操作AbstractQueuedSynchronizer.acquire和解锁操作AbstractQueuedSynchronizer.release的逻辑大体上类似，即实现以下功能点：

1. 竞争性写入原子变量
2. 将线程放入CLH队列并阻塞
3. 释放操作唤醒队列头部的线程

关于AQS的具体实现可以参考这篇文章。这里分析一下Semaphore为什么使用AQS的共享模式而不是独占模式，原因如下：

1. Semaphore中保存了P的个数，当一个线程从Semaphore成功获得P以后，其他线程仍然还可以获得P，独占模式不支持该特性。

2. 当线程调用Semaphore.release(int num)之后，往Semaphore中放入了num个P，可以唤醒多个线程而不是只唤醒1个，所以应该用共享模式。

3. 当线程调用Smaphore.acquire(int num)，这个操作可能成功也可能失败，如果成功了，后续的acquire还有可能继续成功获取到P，而这是独占模式不允许的，所以是共享模式。

总之，Semaphore一般用来跟踪资源数量，例如实现限流之类的功能。它相对于AQS来说，基本没增加功能，只是概念上容易让人理解一些。