java 多线程 28 ： 多线程组件之 Semaphore 信号量

Posted 2020-09-06 立心

Semaphore是非常有用的一个组件，它相当于是一个并发控制器，是用于管理信号量的。构造的时候传入可供管理的信号量的数值，这个数值就是控制并发数量的，就是同时能几个线程访问。我们需要控制并发的代码，执行前先通过acquire方法获取信号，执行后通过release归还信号 。每次acquire返回成功后，Semaphore可用的信号量就会减少一个，如果没有可用的信号，acquire调用就会阻塞，等待有release调用释放信号后，acquire才会得到信号并返回。

ps：注意这里信号量acquire方法和release方法是可以有参数的，表示获取/返还的信号量个数，如果不指定就是默认单个释放

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在实现这种排队机制的时候很优秀，代码简洁

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。

ReentrantLock 实现的生产/消费者一对一情况下 ，对比Semaphore 代码更复杂，但是在多个生产/消费的况，ReentrantLock虽然代码比较复杂，但是更高效 

Semaphore分为单值和多值两种：

1、单值的Semaphore管理的信号量只有1个，该信号量只能被1个，只能被一个线程所获得，意味着并发的代码只能被一个线程运行，这就相当于是一个互斥锁了

2、多值的Semaphore管理的信号量多余1个，主要用于控制并发数

看一下代码例子：

public static void main(String[] args)
{
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
        
    Runnable runnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            try
            {
                semaphore.acquire();                    
　　　　　　　　  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了信号量,时间为" + System.currentTimeMillis());
                Thread.sleep(2000);
　　　　　　　　  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了信号量,时间为" + System.currentTimeMillis());
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            finally
            {
                semaphore.release();
            }
        }
    };
    
    Thread[] threads = new Thread[10];
    for (int i = 0; i < threads.length; i++)
        threads[i] = new Thread(runnable);
    for (int i = 0; i < threads.length; i++)
        threads[i].start();
}

看一下运行结果：

 1 Thread-1获得了信号量,时间为1444557040464
 2 Thread-2获得了信号量,时间为1444557040465
 3 Thread-0获得了信号量,时间为1444557040464
 4 Thread-3获得了信号量,时间为1444557040465
 5 Thread-4获得了信号量,时间为1444557040465
 6 Thread-2释放了信号量,时间为1444557042466
 7 Thread-4释放了信号量,时间为1444557042466
 8 Thread-0释放了信号量,时间为1444557042466
 9 Thread-1释放了信号量,时间为1444557042466
10 Thread-3释放了信号量,时间为1444557042466
11 Thread-9获得了信号量,时间为1444557042467
12 Thread-7获得了信号量,时间为1444557042466
13 Thread-6获得了信号量,时间为1444557042466
14 Thread-5获得了信号量,时间为1444557042466
15 Thread-8获得了信号量,时间为1444557042467
16 Thread-9释放了信号量,时间为1444557044467
17 Thread-6释放了信号量,时间为1444557044467
18 Thread-7释放了信号量,时间为1444557044467
19 Thread-5释放了信号量,时间为1444557044468
20 Thread-8释放了信号量,时间为1444557044468

前10行为一部分，运行的线程是1 2 0 3 4，看到时间差也都是代码约定的2秒；后10行为一部分，运行的线程是9 7 6 5 8，时间差也都是约定的2秒，这就体现出了Semaphore的作用了，这里由于是在中间使用sleep ，所以看起来是有序的，必须释放5个才能获取，其实不然，是一个释放，信号量发现还有空余的就会立刻分给下一个等待的线程。

这种通过Semaphore控制并发并发数的方式和通过控制线程数来控制并发数的方式相比，粒度更小，因为Semaphore可以通过acquire方法和release方法来控制代码块的并发数。

最后注意两点：

1、Semaphore可以指定公平锁还是非公平锁

2、acquire方法和release方法是可以有参数的，表示获取/返还的信号量个数