Semaphore信号量

Posted 2020-11-03 tianpeirong

Semaphore是计数信号量。Semaphore管理一系列许可证。每个acquire方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；每个release方法增加一个许可证，这可能会释放一个阻塞的acquire方法。然而，其实并没有实际的许可证这个对象，Semaphore只是维持了一个可获得许可证的数量。
Semaphore经常用于限制获取某种资源的线程数量。下面举个例子，比如说操场上有5个跑道，一个跑道一次只能有一个学生在上面跑步，一旦所有跑道在使用，那么后面的学生就需要等待，直到有一个学生不跑了，下面是这个例子：

package com.tpr;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
 * 操场，有5个跑道 Created by canghaihongxin on 2018-12-09.
 */
public class Playground {
    /**
     * 跑道类
     */
    static class Track {
        private int num; // 几号跑道 
        public Track(int num) {
            this.num = num;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "Track{" + "num=" + num + ‘}‘;
        }
    }
    
    private Track[] tracks = { new Track(1), new Track(2), new Track(3), new Track(4), new Track(5) }; //跑道数据 
    
    private volatile boolean[] used = new boolean[5];  // 默认是false
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);  //定义了五个信息号
    // 信号量 类似一个带有计算器功能的开关， 他能够阻塞线程。 线程1 在这里面获取了一把钥匙， 就要以执行以后的代码。其他的线程如果获取不到就不能执行，就会卡在信号量这里。 
    // 他初始化的时候，可以规定有几个钥匙
    /**
     * 获取一个跑道
     */
    public Track getTrack() throws InterruptedException {
        // 每个acquire方法阻塞，直到有一个许可证可以获得然后拿走一个许可证；
        // 线程跑到这里，就会获取一个钥匙， 如果获取不到，就等着。
        semaphore.acquire(1); 
        System.out.println("获取钥匙");
        return getNextAvailableTrack();
    }
    /**
     * 释放一个跑道 ， 就是把一个有人的跑道设置成一个没有人的跑道 
     *  
     * 返回一个跑道
     *
     * @param track
     */
    public void releaseTrack(Track track) {
        if (makeAsUsed(track)) {
            semaphore.release(1);
        }
        //makeAsUsed(track);
    }
    /**
     * 遍历，找到一个没人用的跑道
     *  // 定义一个长度为五的布尔类型的数组 是和五个跑道相对应的，当使用了一个跑道 ，就把相对应的数组 改为 true
     *  
     * @return
     */
    private Track getNextAvailableTrack() {
        for (int i = 0; i < used.length; i++) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return tracks[i];
            }
        }
        return null;
    }
    /**
     * 返回一个跑道
     *
     * @param track
     */
    private boolean makeAsUsed(Track track) {
        for (int i = 0; i < used.length; i++) {
            if (tracks[i] == track) {
                if (used[i]) {
                    used[i] = false;
                    return true;
                } else {
                    return false;
                }
            }
        }
        return false;
    }
}

从上面可以看到，创建了5个跑道对象，并使用一个boolean类型的数组记录每个跑道是否被使用了，初始化了5个许可证的Semaphore，在获取跑道时首先调用acquire(1)获取一个许可证，在归还一个跑道是调用release(1)释放一个许可证。接下来再看启动程序，如下：

package com.tpr;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class SemaphoreDemo {
  static class Student implements Runnable {
         private int num;
         private Playground playground;
         public Student(int num, Playground playground) {
             this.num = num;
             this.playground = playground;
         }
         @Override
         public void run() {
             try {
                 //获取跑道
                 Playground.Track track = playground.getTrack();
                 if (track != null) {
                     System.out.println("学生" + num + "在" + track.toString() + "上跑步");
                     //TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                     //释放跑道
                     playground.releaseTrack(track);
                     System.out.println("学生" + num + "释放" + track.toString());
                 }
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     }
     public static void main(String[] args) {
         Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
         Playground playground = new Playground();
         for (int i = 0; i < 100; i++) {
             executor.execute(new Student(i+1,playground));
         }
     }
}

输出结果

学生1在Track{num=1}上跑步
学生2在Track{num=2}上跑步
学生3在Track{num=3}上跑步
学生4在Track{num=4}上跑步
学生5在Track{num=5}上跑步
学生1释放Track{num=1}
学生2释放Track{num=2}
学生6在Track{num=1}上跑步
学生43在Track{num=2}上跑步
学生3释放Track{num=3}
学生4释放Track{num=4}
学生5释放Track{num=5}
学生9在Track{num=4}上跑步
学生10在Track{num=5}上跑步
学生8在Track{num=3}上跑步
学生6释放Track{num=1}
学生43释放Track{num=2}
学生11在Track{num=1}上跑步
学生12在Track{num=2}上跑步

源码解析

Semaphore有两种模式，公平模式和非公平模式。公平模式就是调用acquire的顺序就是获取许可证的顺序，遵循FIFO；而非公平模式是抢占式的，也就是有可能一个新的获取线程恰好在一个许可证释放时得到了这个许可证，而前面还有等待的线程。

构造方法
Semaphore有两个构造方法，如下：

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

从上面可以看到两个构造方法，都必须提供许可的数量，第二个构造方法可以指定是公平模式还是非公平模式，默认非公平模式。
Semaphore内部基于AQS的共享模式，所以实现都委托给了Sync类。
这里就看一下NonfairSync的构造方法：

NonfairSync(int permits) {
            super(permits);
        }

可以看到直接调用了父类的构造方法，Sync的构造方法如下：

Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

可以看到调用了setState方法，也就是说AQS中的资源就是许可证的数量。

总结

Semaphore是信号量，用于管理一组资源。其内部是基于AQS的共享模式，AQS的状态表示许可证的数量，在许可证数量不够时，线程将会被挂起；而一旦有一个线程释放一个资源，那么就有可能重新唤醒等待队列中的线程继续执行。
主要作用是控制线程的执行。