java并发（十八）信号量

Semaphore（信号量） 是一个线程同步结构，用于在线程间传递信号，以避免出现信号丢失（译者注：下文会具体介绍），或者像锁一样用于保护一个关键区域。自从5.0开始，jdk在java.util.concurrent包里提供了Semaphore 的官方实现，因此大家不需要自己去实现Semaphore。但是还是很有必要去熟悉如何使用Semaphore及其背后的原理。



本文的涉及的主题如下：



简单的Semaphore实现

使用Semaphore来发出信号

可计数的Semaphore

有上限的Semaphore

把Semaphore当锁来使用

JAVA的信号量接口实现

一、简单的Semaphore实现

下面是一个信号量的简单实现：

Java代码  

1. public class Semaphore {  
2.     private boolean signal = false;  
3.   
4.     public synchronized void take() {  
5.         this.signal = true;  
6.         this.notify();  
7.     }  
8.   
9.     public synchronized void release() throws InterruptedException {  
10.         while (!this.signal)  
11.             wait();  
12.         this.signal = false;  
13.     }  
14. }  

Take方法发出一个被存放在Semaphore内部的信号，而Release方法则等待一个信号，当其接收到信号后，标记位signal被清空，然后该方法终止。



使用这个semaphore可以避免错失某些信号通知。用take方法来代替notify，release方法来代替wait。如果某线程在调用release等待之前调用take方法，那么调用release方法的线程仍然知道take方法已经被某个线程调用过了，因为该Semaphore内部保存了take方法发出的信号。而wait和notify方法就没有这样的功能。



当用semaphore来产生信号时，take和release这两个方法名看起来有点奇怪。这两个名字来源于后面把semaphore当做锁的例子，后面会详细介绍这个例子，在该例子中，take和release这两个名字会变得很合理。



二、使用Semaphore来产生信号

下面的例子中，两个线程通过Semaphore发出的信号来通知对方

Java代码  

1. public class Test {  
2.   
3.     public static void main(String[] args) {  
4.         Semaphore semaphore = new Semaphore();  
5.         SendingThread sender = new SendingThread(semaphore);  
6.         ReceivingThread receiver = new ReceivingThread(semaphore);  
7.         receiver.start();  
8.         sender.start();  
9.   
10.     }  
11. }  
12. public class ReceivingThread extends Thread {  
13.     Semaphore semaphore = null;  
14.   
15.     public ReceivingThread(Semaphore semaphore) {  
16.         this.semaphore = semaphore;  
17.     }  
18.   
19.     public void run()  {  
20.         while (true) {  
21.             try {  
22.                 this.semaphore.release();  
23.             } catch (Exception e) {  
24.             }  
25.             // receive signal, then do something...  
26.         }  
27.     }  
28. }  
29. public class SendingThread extends Thread {  
30.     Semaphore semaphore = null;  
31.   
32.     public SendingThread(Semaphore semaphore) {  
33.         this.semaphore = semaphore;  
34.     }  
35.   
36.     public void run() {  
37.         while (true) {  
38.             // do something, then signal  
39.             this.semaphore.take();  
40.         }  
41.     }  
42. }  

三、可计数的Semaphore

上面提到的Semaphore的简单实现并没有计算通过调用take方法所产生信号的数量。可以把它改造成具有计数功能的Semaphore。下面是一个可计数的Semaphore的简单实现。

Java代码  

1. public class CountingSemaphore {  
2.     private int signals = 0;  
3.   
4.     public synchronized void take() {  
5.         this.signals++;  
6.         this.notify();  
7.     }  
8.   
9.     public synchronized void release() throws InterruptedException {  
10.         while (this.signals == 0)  
11.             wait();  
12.         this.signals--;  
13.     }  
14. }  

四、有上限的Semaphore

上面的CountingSemaphore并没有限制信号的数量。下面的代码将CountingSemaphore改造成一个信号数量有上限的BoundedSemaphore。

Java代码  

1. public class BoundedSemaphore {  
2.     private int signals = 0;  
3.     private int bound = 0;  
4.   
5.     public BoundedSemaphore(int upperBound) {  
6.         this.bound = upperBound;  
7.     }  
8.   
9.     public synchronized void take() throws InterruptedException {  
10.         while (this.signals == bound)  
11.             wait();  
12.         this.signals++;  
13.         this.notify();  
14.     }  
15.   
16.     public synchronized void release() throws InterruptedException {  
17.         while (this.signals == 0)  
18.             wait();  
19.         this.signals--;  
20.         this.notify();  
21.     }  
22. }  

在BoundedSemaphore中，当已经产生的信号数量达到了上限，take方法将阻塞新的信号产生请求，直到某个线程调用release方法后，被阻塞于take方法的线程才能传递自己的信号。



五、把Semaphore当锁来使用

当信号量的数量上限是1时，Semaphore可以被当做锁来使用。通过take和release方法来保护关键区域。请看下面的例子：

Java代码  

1. BoundedSemaphore semaphore = new BoundedSemaphore(1);  
2. ...  
3. semaphore.take();  
4. try{  
5. //critical section  
6. } finally {  
7. semaphore.release();  
8. }  

在前面的例子中，Semaphore被用来在多个线程之间传递信号，这种情况下，take和release分别被不同的线程调用。但是在锁这个例子中，take和release方法将被同一线程调用，因为只允许一个线程来获取信号（允许进入关键区域的信号），其它调用take方法获取信号的线程将被阻塞，知道第一个调用take方法的线程调用release方法来释放信号。对release方法的调用永远不会被阻塞，这是因为任何一个线程都是先调用take方法，然后再调用release。



通过有上限的Semaphore可以限制进入某代码块的线程数量。设想一下，在上面的例子中，如果BoundedSemaphore 上限设为5将会发生什么？意味着允许5个线程同时访问关键区域，但是你必须保证，这个5个线程不会互相冲突。否则你的应用程序将不能正常运行。



必须注意，release方法应当在finally块中被执行。这样可以保在关键区域的代码抛出异常的情况下，信号也一定会被释放。



六、JAVA的信号量接口实现

Java代码  

1. Semaphore semaphore = new Semaphore(0);  
2. semaphore.acquire(2); // 获取许可  
3. semaphore.release();//授权  
4. semaphore.release(2);//授权  

new Semaphore(0)表示初始状态，semaphore.acquire全部都阻塞，等待授权发放。

semaphore.acquire(2)表示至少需要2个授权才可以放行代码。此时可以调用2次无参方法semaphore.release()或者直接一次性发放2个授权，调用semaphore.release(2)。