多线程编程核心技术(十二)Semaphore

信号量是由大名鼎鼎的计算机科学家迪杰斯特拉（Dijkstra）于 1965 年提出，在这之后的 15 年，信号量一直都是并发编程领域的终结者，直到 1980 年管程被提出来，我们才有了第二选择。目前几乎所有支持并发编程的语言都支持信号量机制。

信号量的模型

 

 一个计数器+一个等待队列+三个对外开放的方法就可以组成信号量模型。

在前面说过信号量和管程一定意义上是可以相同的，管程的特点就是某一时刻只有一个能进入特定房间。信号量则可以允许特定数量的进入特定房间。

semaphore有一个整型变量（S）和两个原子操作组成。S了资源的数量，而两个原子操作一般被成为P操作和V操作（有时也被成为wait、signal）。P操作表示申请一个资源，P操作的定义：S=S-1，若S>=0，则执行P操作的线程继续执行；若S<0，则置该线程为阻塞状态，并将其插入阻塞队列。

信号量的P操作在操作之前不知道是否会被阻塞，而管程的wait操作则是一定会被阻塞。

 

如何使用信号量

信号量的模型还是很简单的，那具体该如何使用呢？其实你想想红绿灯就可以了。十字路口的红绿灯可以控制交通，得益于它的一个关键规则：车辆在通过路口前必须先检查是否是绿灯，只有绿灯才能通行。这个规则和我们前面提到的锁规则是不是很类似？

假设两个线程 T1 和 T2 同时访问 addOne() 方法，当它们同时调用 acquire() 的时候，由于 acquire() 是一个原子操作，所以只能有一个线程（假设 T1）把信号量里的计数器减为 0，另外一个线程（T2）则是将计数器减为 -1。对于线程 T1，信号量里面的计数器的值是 0，大于等于 0，所以线程 T1 会继续执行；对于线程 T2，信号量里面的计数器的值是 -1，小于 0，按照信号量模型里对 down() 操作的描述，线程 T2 将被阻塞。所以此时只有线程 T1 会进入临界区执行count+=1；。

这样看起来好像信号量和管程又一样了

其实Semaphore的更多使用应该是在限流等方面，他的特点就是可以控制多个线程访问一个资源。

例如一个对象池的需求。所谓对象池呢，指的是一次性创建出 N 个对象，之后所有的线程重复利用这 N 个对象，当然对象在被释放前，也是不允许其他线程使用的。对象池，可以用 List 保存实例对象，这个很简单。但关键是限流器的设计，这里的限流，指的是不允许多于 N 个线程同时进入临界区。那如何快速实现一个这样的限流器呢？

class ObjPool<T, R> {
  final List<T> pool;
  // 用信号量实现限流器
  final Semaphore sem;
  // 构造函数
  ObjPool(int size, T t){
    pool = new Vector<T>(){};
    for(int i=0; i<size; i++){
      pool.add(t);
    }
    sem = new Semaphore(size);
  }
  // 利用对象池的对象，调用func
  R exec(Function<T,R> func) {
    T t = null;
    sem.acquire();
    try {
      t = pool.remove(0);
      return func.apply(t);
    } finally {
      pool.add(t);
      sem.release();
    }
  }
}
// 创建对象池
ObjPool<Long, String> pool = 
  new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通过对象池获取t，之后执行  
pool.exec(t -> {
    System.out.println(t);
    return t.toString();
});

 只需要给信号量一个初始化的大小就可以简单的实现一个限流器

我理解的和管程相比，信号量可以实现的独特功能就是同时允许多个线程进入临界区，但是信号量不能做的就是同时唤醒多个线程去争抢锁，只能唤醒一个阻塞中的线程，而且信号量模型是没有Condition的概念的，即阻塞线程被醒了直接就运行了而不会去检查此时临界条件是否已经不满足了，基于此考虑信号量模型才会设计出只能让一个线程被唤醒，否则就会出现因为缺少Condition检查而带来的线程安全问题。正因为缺失了Condition，所以用信号量来实现阻塞队列就很麻烦，因为要自己实现类似Condition的逻辑。