作者：chenssy

來源：Java技術棧公眾號

訊號量Semaphore是一個控制訪問多個共享資源的計數器，和CountDownLatch一樣，其本質上是一個“共享鎖”。

Semaphore，在API是這麼介紹的：一個計數訊號量。

從概念上講，訊號量維護了一個許可集。如有必要，在許可可用前會阻塞每一個 acquire()，然後再獲取該許可。每個 release() 新增一個許可，從而可能釋放一個正在阻塞的獲取者。但是，不使用實際的許可物件，Semaphore 只對可用許可的號碼進行計數，並採取相應的行動。

Semaphore 通常用於限制可以訪問某些資源（物理或邏輯的）的執行緒數目。

下面我們就一個停車場的簡單例子來闡述Semaphore：

為了簡單起見我們假設停車場僅有5個停車位，一開始停車場沒有車輛所有車位全部空著，然後先後到來三輛車，停車場車位夠，安排進去停車，然後又來三輛，這個時候由於只有兩個停車位，所有隻能停兩輛，其餘一輛必須在外面候著，直到停車場有空車位，當然以後每來一輛都需要在外面候著。當停車場有車開出去，裡面有空位了，則安排一輛車進去（至於是哪輛 要看選擇的機制是公平還是非公平）。

從程式角度看，停車場就相當於訊號量Semaphore，其中許可數為5，車輛就相對執行緒。當來一輛車時，許可數就會減 1 ，當停車場沒有車位了（許可書 == 0 ），其他來的車輛需要在外面等候著。如果有一輛車開出停車場，許可數 + 1，然後放進來一輛車。

號量Semaphore是一個非負整數（>=1）。當一個執行緒想要訪問某個共享資源時，它必須要先獲取Semaphore，當Semaphore >0時，獲取該資源並使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，則表示全部的共享資源已經被其他執行緒全部佔用，執行緒必須要等待其他執行緒釋放資源。當執行緒釋放資源時，Semaphore則+1

1、實現分析

Semaphore結構如下：

從上圖可以看出Semaphore內部包含公平鎖（FairSync）和非公平鎖（NonfairSync），繼承內部類Sync，其中Sync繼承AQS（再一次闡述AQS的重要性）。

Semaphore提供了兩個建構函式：

1. Semaphore(int permits) ：建立具有給定的許可數和非公平的公平設定的 Semaphore。

2. Semaphore(int permits, boolean fair) ：建立具有給定的許可數和給定的公平設定的 Semaphore。

實現如下：

publicSemaphore(int permits){
        sync =newNonfairSync(permits);}publicSemaphore(int permits,boolean fair){
        sync = fair ?newFairSync(permits):newNonfairSync(permits);}

Semaphore預設選擇非公平鎖。

當訊號量Semaphore = 1 時，它可以當作互斥鎖使用。其中0、1就相當於它的狀態，當=1時表示其他執行緒可以獲取，當=0時，排他，即其他執行緒必須要等待。

2、訊號量獲取

Semaphore提供了acquire()方法來獲取一個許可。

publicvoid acquire()throwsInterruptedException{
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);}

內部呼叫AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，該方法以共享模式獲取同步狀態：

publicfinalvoid acquireSharedInterruptibly(int arg)throwsInterruptedException{if(Thread.interrupted())thrownewInterruptedException();if(tryAcquireShared(arg)<0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);}

在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)由子類來實現，對於Semaphore而言，如果我們選擇非公平模式，則呼叫NonfairSync的tryAcquireShared(int arg)方法，否則呼叫FairSync的tryAcquireShared(int arg)方法。

3、公平

protectedint tryAcquireShared(int acquires){for(;;){//判斷該執行緒是否位於CLH佇列的列頭if(hasQueuedPredecessors())return-1;//獲取當前的訊號量許可int available = getState();//設定“獲得acquires個訊號量許可之後，剩餘的訊號量許可數”int remaining = available - acquires;//CAS設定訊號量if(remaining <0||
                    compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}}

4、非公平

對於非公平而言，因為它不需要判斷當前執行緒是否位於CLH同步佇列列頭，所以相對而言會簡單些。

protectedint tryAcquireShared(int acquires){return nonfairTryAcquireShared(acquires);}finalint nonfairTryAcquireShared(int acquires){for(;;){int available = getState();int remaining = available - acquires;if(remaining <0||
                    compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}}

5、訊號量釋放

獲取了許可，當用完之後就需要釋放，Semaphore提供release()來釋放許可。

publicvoid release(){
        sync.releaseShared(1);}

內部呼叫AQS的releaseShared(int arg)：

publicfinalboolean releaseShared(int arg){if(tryReleaseShared(arg)){
            doReleaseShared();returntrue;}returnfalse;}

releaseShared(int arg)呼叫Semaphore內部類Sync的tryReleaseShared(int arg)：

protectedfinalboolean tryReleaseShared(int releases){for(;;){int current = getState();//訊號量的許可數 = 當前訊號許可數 + 待釋放的訊號許可數intnext= current + releases;if(next< current)// overflowthrownewError("Maximum permit count exceeded");//設定可獲取的訊號許可數為nextif(compareAndSetState(current,next))returntrue;}}

6、應用示例

我們已停車為示例：

1. public class SemaphoreTest{

2. staticclassParking{

3. //訊號量

4. privateSemaphore semaphore;

5. Parking(int count){

6.        semaphore =newSemaphore(count);

7. }

8. publicvoid park(){

9. try{

10. //獲取訊號量

11.            semaphore.acquire();

12. long time =(long)(Math.random()*10);

13. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"進入停車場，停車"+ time +"秒...");

14. Thread.sleep(time);

15. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"開出停車場...");

16. }catch(InterruptedException e){

17.            e.printStackTrace();

18. }finally{

19.            semaphore.release();

20. }

21. }

22. }

23. staticclassCarextendsThread{

24. Parking parking ;

25. Car(Parking parking){

26. this.parking = parking;

27. }

28. @Override

29. publicvoid run(){

30.        parking.park();//進入停車場

31. }

32. }

33. publicstaticvoid main(String[] args){

34. Parking parking =newParking(3);

35. for(int i =0; i <5; i++){

36. newCar(parking).start();

37. }

38. }


執行結果如下：

- END -

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