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Java 信号量 Semaphore 介绍

2015-05-09 08:30 260 查看

简介

信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施,它负责协调各个线程,以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。

一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个acquire()，然后再获取该许可。每个release()添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。拿到信号量的线程可以进入代码，否则就等待。通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

Semaphore通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。

概念

Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得。

将信号量初始化为1，使得它在使用时最多只有一个可用的许可，从而可用作一个相互排斥的锁。这通常也称为二进制信号量，因为它只能有两种状态：一个可用的许可，或零个可用的许可。按此方式使用时，二进制信号量具有某种属性（与很多

Lock

实现不同），即可以由线程释放“锁”，而不是由所有者（因为信号量没有所有权的概念）。在某些专门的上下文（如死锁恢复）中这会很有用。

此类的构造方法可选地接受一个公平参数。当设置为false时，此类不对线程获取许可的顺序做任何保证。特别地，闯入是允许的，也就是说可以在已经等待的线程前为调用

acquire()

的线程分配一个许可，从逻辑上说，就是新线程将自己置于等待线程队列的头部。当公平设置为true时，信号量保证对于任何调用

获取

方法的线程而言，都按照处理它们调用这些方法的顺序（即先进先出；FIFO）来选择线程、获得许可。注意，FIFO排序必然应用到这些方法内的指定内部执行点。所以，可能某个线程先于另一个线程调用了

acquire

，但是却在该线程之后到达排序点，并且从方法返回时也类似。还要注意，非同步的

tryAcquire

方法不使用公平设置，而是使用任意可用的许可。

通常，应该将用于控制资源访问的信号量初始化为公平的，以确保所有线程都可访问资源。为其他的种类的同步控制使用信号量时，非公平排序的吞吐量优势通常要比公平考虑更为重要。

此类还提供便捷的方法来同时

acquire

和

释放

多个许可。小心，在未将公平设置为true时使用这些方法会增加不确定延期的风险。

内存一致性效果：线程中调用“释放”方法（比如

release()

）之前的操作happen-before另一线程中紧跟在成功的“获取”方法（比如

acquire()

）之后的操作。

公平模式：如果以公平方式执行，则线程将会按到达的顺序（FIFO）执行，如果是非公平，则可以后请求的有可能排在队列的头部。
JDK中定义如下：
Semaphore(intpermits,booleanfair)
　　创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。

主要的方法：

构造方法摘要

Semaphore(intpermits)

创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的

Semaphore

。

Semaphore(intpermits,booleanfair)

创建具有给定的许可数和给定的公平设置的

方法摘要
void	acquire() 从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
void	acquire(intpermits) 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞，或者线程已被中断。
void	acquireUninterruptibly() 从此信号量中获取许可，在有可用的许可前将其阻塞。
void	acquireUninterruptibly(intpermits) 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。
int	availablePermits() 返回此信号量中当前可用的许可数。
int	drainPermits() 获取并返回立即可用的所有许可。
protectedCollection<Thread>	getQueuedThreads() 返回一个collection，包含可能等待获取的线程。
int	getQueueLength() 返回正在等待获取的线程的估计数目。
boolean	hasQueuedThreads() 查询是否有线程正在等待获取。
boolean	isFair() 如果此信号量的公平设置为true，则返回 true 。
protected void	reducePermits(intreduction) 根据指定的缩减量减小可用许可的数目。
void	release() 释放一个许可，将其返回给信号量。
void	release(intpermits) 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。
String	toString() 返回标识此信号量的字符串，以及信号量的状态。
boolean	tryAcquire() 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。
boolean	tryAcquire(intpermits) 仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时，才从此信号量中获取这些许可。
boolean	tryAcquire(intpermits, longtimeout,TimeUnitunit) 如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可，并且当前线程未被中断，则从此信号量获取给定数目的许可。
boolean	tryAcquire(longtimeout, TimeUnitunit) 如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。

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。

下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore，而有20个线程要访问这个资源，通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

packagecom.dxz.semaphore;

importjava.util.concurrent.ExecutorService;
importjava.util.concurrent.Executors;
importjava.util.concurrent.Semaphore;

publicclassTestSemaphore{
publicstaticvoidmain(String[]args){
//线程池
ExecutorServiceexec=Executors.newCachedThreadPool();
//只能5个线程同时访问
finalSemaphoresemp=newSemaphore(5);
//模拟20个客户端访问
for(intindex=0;index<20;index++){
finalintNO=index;
Runnablerun=newRunnable(){
publicvoidrun(){
try{
//获取许可
semp.acquire();
System.out.println("Accessing:"+NO);
Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
//访问完后，释放
semp.release();
System.out.println("semp.availablePermits()=="+semp.availablePermits());
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(run);
}
//退出线程池
exec.shutdown();
}
}

执行结果如下：

Accessing:0
Accessing:2
Accessing:4
Accessing:6
Accessing:8
semp.availablePermits()==0
Accessing:10
Accessing:12
semp.availablePermits()==0
semp.availablePermits()==1
Accessing:14
semp.availablePermits()==1
Accessing:16
semp.availablePermits()==1
Accessing:18
semp.availablePermits()==1
Accessing:1
semp.availablePermits()==1
Accessing:3
semp.availablePermits()==1
Accessing:5
semp.availablePermits()==1
Accessing:7
semp.availablePermits()==1
Accessing:9
semp.availablePermits()==1
Accessing:11
Accessing:13
semp.availablePermits()==0
semp.availablePermits()==1
Accessing:15
semp.availablePermits()==1
Accessing:17
semp.availablePermits()==1
Accessing:19
semp.availablePermits()==1
semp.availablePermits()==2
semp.availablePermits()==3
semp.availablePermits()==4
semp.availablePermits()==5

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