信号量 Semaphore

一、简介
信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用,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。

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。



二、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。

三、代码示例

public class TestSemaphore {

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 < 20; 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();

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

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

};

exec.execute(run);

}

// 退出线程池

exec.shutdown();

}

}

执行结果如下：

Accessing: 0

Accessing: 1

Accessing: 3

Accessing: 4

Accessing: 2

-----------------0

Accessing: 6

-----------------1

Accessing: 7

-----------------1

Accessing: 8

-----------------1

Accessing: 10

-----------------1

Accessing: 9

-----------------1

Accessing: 5

-----------------1

Accessing: 12

-----------------1

Accessing: 11

-----------------1

Accessing: 13

-----------------1

Accessing: 14

-----------------1

Accessing: 15

-----------------1

Accessing: 16

-----------------1

Accessing: 17

-----------------1

Accessing: 18

-----------------1

Accessing: 19