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Java多线程-新特征-信号量Semaphore

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。

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。

以一个停车场运作为例。为了简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆不受阻碍的进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入一辆，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。

在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。

更进一步，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待）和 Release（释放）。当一个线程调用Wait（等待）操作时，它要么通过然后将信号量减一，要么一直等下去，直到信号量大于一或超时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为加操作实际上是释放了由信号量守护的资源。

在java中，还可以设置该信号量是否采用公平模式，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(int permits, boolean fair)
　　创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。

Semaphore当前在多线程环境下被扩放使用，操作系统的信号量是个很重要的概念，在进程控制方面都有应用。Java并发库Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个数，通过 acquire() 获取一个许可，如果没有就等待，而 release() 释放一个许可。比如在Windows下可以设置共享文件的最大客户端访问个数。

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。

package cn.thread;
import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

import java.util.concurrent.Semaphore;
/**

信号量

@author
@version 1.0 2013-7-25 下午02:03:40

*/

public class SemaphoreTest {

public static void main(String[] args) {

// 线程池

ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

// 只能5个线程同时访问

final Semaphore semp = new Semaphore(5);

// 模拟20个客户端访问

for (int index = 0; index < 50; index++) {

final int NO = index;

Runnable run = new Runnable() {

public void run() {

try {

// 获取许可

                        semp.acquire();

System.out.println("Accessing: " + NO);

Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));

// 访问完后，释放

                        semp.release();

//availablePermits()指的是当前信号灯库中有多少个可以被使用

System.out.println("-----------------" + semp.availablePermits());

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

};

exec.execute(run);

}

// 退出线程池

        exec.shutdown();

}

}

Accessing: 0
Accessing: 1
Accessing: 2
Accessing: 4
Accessing: 6
Accessing: 8
-----------------0
-----------------1
Accessing: 3
-----------------1
Accessing: 5
Accessing: 9
-----------------0
-----------------1
Accessing: 7
Accessing: 10
-----------------0
-----------------1
Accessing: 11
-----------------1
Accessing: 12
-----------------1
Accessing: 13
Accessing: 14
-----------------0
-----------------1
Accessing: 15
-----------------0
Accessing: 16
-----------------1
Accessing: 17
-----------------1
Accessing: 18
-----------------1
Accessing: 19
-----------------0
Accessing: 20
Accessing: 21
-----------------0
Accessing: 22
-----------------0
-----------------1
Accessing: 23
-----------------1
Accessing: 24
-----------------0
Accessing: 25
Accessing: 26
-----------------0
-----------------1
Accessing: 27
-----------------1
Accessing: 28
-----------------1
Accessing: 29
Accessing: 30
-----------------0
-----------------1
Accessing: 31
-----------------1
Accessing: 32
-----------------1
Accessing: 33
-----------------1
Accessing: 34
Accessing: 35
-----------------0
-----------------1
Accessing: 36
-----------------1
Accessing: 37
-----------------1
Accessing: 38
-----------------1
Accessing: 39
-----------------1
Accessing: 40
Accessing: 41
-----------------0
-----------------1
Accessing: 42
Accessing: 43
-----------------0
Accessing: 44
-----------------0
-----------------1
Accessing: 45
-----------------1
Accessing: 46
-----------------1
Accessing: 47
-----------------1
Accessing: 48
-----------------1
Accessing: 49
-----------------1
-----------------2
-----------------3
-----------------4
-----------------5

自我总结：

信号量 Semaphore 概述

在 Java 多线程编程里，Semaphore（信号量）是 java.util.concurrent 包中的一个同步工具类。它主要用于控制同时访问特定资源的线程数量，通过计数器来实现，计数器的值代表可用的许可数量。线程在访问资源前需要先获取许可，若许可数量大于 0，线程获取许可后计数器减 1；线程使用完资源后需释放许可，计数器加 1。若许可数量为 0，线程会被阻塞，直到有其他线程释放许可。

应用场景

信号量常用于限流场景，比如数据库连接池，限制同时使用数据库连接的线程数量；或者停车场系统，控制进入停车场的车辆数量。

代码示例

以下是一个模拟停车场的示例，假设停车场有 3 个停车位，有 5 辆车要进入停车场：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class ParkingLotExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个信号量，初始许可数量为 3，表示停车场有 3 个停车位
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        // 创建 5 个线程，模拟 5 辆车
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(new Car(i, semaphore)).start();
        }
    }

    static class Car implements Runnable {
        private int carNumber;
        private Semaphore semaphore;

        public Car(int carNumber, Semaphore semaphore) {
            this.carNumber = carNumber;
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("车辆 " + carNumber + " 正在等待进入停车场...");
                // 尝试获取许可
                semaphore.acquire();
                System.out.println("车辆 " + carNumber + " 已进入停车场。");
                // 模拟车辆在停车场停留一段时间
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                System.out.println("车辆 " + carNumber + " 离开停车场。");
                // 释放许可
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

代码解释

信号量的创建：
```
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
```
这里创建了一个初始许可数量为 3 的信号量，意味着停车场最多同时容纳 3 辆车。
线程的创建与启动：
```
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
    new Thread(new Car(i, semaphore)).start();
}
```
创建了 5 个线程，每个线程代表一辆车，并且将信号量传递给每个线程。
获取许可：
```
semaphore.acquire();
```
线程调用 acquire() 方法尝试获取许可。如果此时有可用许可（计数器大于 0），线程获取许可后计数器减 1，线程继续执行；如果没有可用许可，线程会被阻塞，直到有其他线程释放许可。
释放许可：
```
semaphore.release();
```
线程使用完资源后，调用 release() 方法释放许可，计数器加 1，此时可能会唤醒正在等待许可的其他线程。