【Java并发工具类】Semaphore
前言
1965年，荷兰计算机科学家Dijkstra提出的信号量机制成为一种高效的进程同步机制。这之后的15年，信号量一直都是并发编程领域的终结者。1980年，管程被提出，成为继信号量之后的在并发编程领域的第二个选择。目前几乎所有的语言都支持信号量机制，Java也不例外。Java中提供了Semaphore并发工具类来支持信号量机制。下面我们就来了解Java实现的信号量机制。
首先介绍信号量模型，然后介绍如何使用，最后使用信号量来实现一个限流器。
信号量模型
信号量模型图（图来自参考[1]）：
信号量模型总结为：一个计数器、一个等待队列和三个对外调用的方法。
计数器和等待队列时对外透明的，所有我们只能通过三个对外方法来访问计数器和等待队列。
init()：设置计数器的初始值。
down()：计数器的值减一。如果此时计数器的值小于0，则当前线程插入等待队列并阻塞，否则当前线程可以继续执行。
up()：计数器的值加一。如果此时计数器的值小于或者等于0，则唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。
这三个方法都是原子性的，由实现信号量模型的方法保证。在Java SDK中，信号量模型是由java.util.concurrent.Semaphore实现。
信号量模型代码化大致类似如下：
class Semaphore{
int count; // 计数器
Queue queue; // 等待队列
// 初始化操作
Semaphore(int c){
this.count=c;
}
void down(){
this.count--; // 计数器值减一
if(this.count < 0){
// 将当前线程插入等待队列
// 阻塞当前线程
}
}
void up(){
this.count++; // 计数器值加一
if(this.count <= 0) {
// 移除等待队列中的某个线程T
// 唤醒线程T
}
}
}
在信号量模型中，down()和up()这两个操作也被成为P操作（荷兰语proberen，测试）和V操作（荷荷兰语verhogen，增加）。在我学的操作系统教材中（C语言实现），P操作对应wait()，V操作对应singal()。虽然叫法不同，但是语义都是相同的。在Java SDK并发包中，down()和up()分别对应于Semaphore中的acquire()和release()。
如何使用信号量
信号量有时也被称为红绿灯，我们想想红绿灯时怎么控制交通的，就知道该如何使用信号量。车辆路过十字路时，需要先检查是否为绿灯，如果是则通行，否则就等待。想想和加锁机制有点相似，都是一样的操作，先检查是否符合条件（“尝试获取”），符合（“获取到”）则线程继续运行，否则阻塞线程。
下面使用累加器的例子来说明如何使用信号量。
count+=1 操作是个临界区，只允许一个线程执行，即要保证互斥。于是我们在进入临界区之前，使用down()即Java中的acquire()，在退出之后使用up()即Java中的release()。
static int count;
//初始化信号量
static final Semaphore s = new Semaphore(1); // 构造函数参数为1，表示只允许一个线程进行临界区。可实现一个互斥锁的功能。
//用信号量保证互斥
static void addOne() {
s.acquire(); // 获取一个许可(可看作加锁机制中加锁)
try {
count+=1;
} finally {
s.release(); // 归还许可(可看做加锁机制中解锁)
}
}
完整代码如下:
package com.sakura.concrrent;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class SemaphoreTest {
static int count;
static final Semaphore s = new Semaphore(1);
static void addOne() throws InterruptedException {
//只会有一个线程将信号量中的计数器减为1，而另外一个线程只能将信号量中计数器减为-1，导致被阻塞
s.acquire();
try {
count +=1;
System.out.println("Now thread is " + Thread.currentThread() + " and count is " + count);
}finally {
//进入临界区的线程在执行完临界区代码后将信号量中计数器的值加1然后，此时信号量中计数器的值为0，则从阻塞队列中唤醒被阻塞的进程
s.release();
}
}
public static void main(String[] args) {
// 创建两个线程运行
MyThread thread1 = new MyThread();
MyThread thread2 = new MyThread();
thread1.start();
thread2.start();
System.out.println("main thread");
}
}
class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
super.run();
for(int i=0; i<10; i++) {
try {
SemaphoreTest.addOne();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
运行结果:
如果Semaphore的构造函数参数（许可数量，内置计数器的值）修改一下：
static final Semaphore s = new Semaphore(2);
则计数器值的为2，那么就允许有两个线程进入临界区，我们的count值就会出现问题
快速实现一个限流器
当设置信号量的计数器为1时，可实现一个简单的互斥锁功能。但是，我们前面刚介绍过Java SDK中的Lock，Semaphore的用途显然不会与Lock一致，不然就重复造轮子了。Semaphore最重要的一个功能便是：可以允许多个线程访问一个临界区。（上述例子我们就设置了计数器的值为2，可发现thread1和thread2都可进入临界区。）
我们会在什么地方遇见这种需求呢？
各种池化资源，例如连接池、对象池、线程池等等。例如，数据库连接池，在同一时刻，一定是允许多个线程同时使用连接池，当然，每个连接在被释放之前，是不允许其他线程使用的。
我们设计如下可以允许N个线程使用的对象池，我们将信号量的计数器值设为N，就可以让N个线程同时进行临界区，多余的就会被阻塞。（代码来自参考[1]）
class ObjPool<T, R> {
final List<T> pool; //使用List保存实例对象
// 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);
}
// 获取对象池的对象，调用 func
R exec(Function<T,R> func) {
T t = null;
sem.acquire(); //允许N个进程同时进入临界区
try {
//我们需要注意，因为多个进行可以进入临界区，所以Vector的remove方法是线程安全的
t = pool.remove(0);
return func.apply(t); //获取对象池汇中的一个对象后，调用func函数
} finally {
pool.add(t); //离开临界区之前，将之前获取的对象放回到池中
sem.release(); //使得计数器加1，如果信号量中计数器小于等于0，那么说明有线程在等待，此时就会自动唤醒等待线程
}
}
}
// 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();
});
小结
记得学习操作系统时，信号量类型分为了好几种整型信号量、记录型信号量、AND信号量以及“信号量集”（具体了解可戳参考[2]）。我认为Java SDK中Semaphore应该是记录型信号量的实现。不由想起，编程语言是对OS层面操作的一种抽象描述。这句话需要品需要细细品。
参考：
[1] 极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》
[2] 静水深流.操作系统之信号量机制总结.https://www.cnblogs.com/IamJiangXiaoKun/p/9464336.html
