java并发编程系列之Semaphore信号量的使用

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。通过信号量，我们可以控制我们程序的被访问量，比如某一时刻，最多只能同时允许20个线程访问，如果超过了这个值，那么其他的线程就需要排队等候。

Semaphore有两个构造函数，如下：

// 可以同时访问的数量，默认为非公平的，也就是说可以插队，并非先来的先获取信号量
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// 信号量，可以设定是否为公平信号量
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
下面我们来先看一个简单的例子，模拟限定客户端访问服务器的线程数量。代码如下：

public class SemaphoreDemo {
public static void main(String[] args) {
// 只能允许5个客户端线程访问服务器资源
final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
// 新建30个线程，模拟客户端同时有30个请求线程
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(30);
// 模拟提交30个请求给服务器
for(int i=0; i<30; i++){
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
// 获取许可
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程持有信号量");
// 模拟请求服务器资源
Thread.sleep(2000);
System.out.println("当前可用的信号量为:"+semaphore.availablePermits());
// 访问完后，释放资源
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程释放信号量");
semaphore.release();
System.out.println("当前可用的信号量为:"+semaphore.availablePermits());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
// 释放线程池资源
service.shutdown();
}
}

测试结果如下：

pool-1-thread-1线程持有信号量
pool-1-thread-4线程持有信号量
pool-1-thread-3线程持有信号量
pool-1-thread-2线程持有信号量
pool-1-thread-5线程持有信号量
当前可用的信号量为:0
pool-1-thread-2线程释放信号量
pool-1-thread-6线程持有信号量
当前可用的信号量为:0
当前可用的信号量为:0
pool-1-thread-1线程释放信号量
pool-1-thread-7线程持有信号量
当前可用的信号量为:0
当前可用的信号量为:0
pool-1-thread-3线程释放信号量
当前可用的信号量为:0
pool-1-thread-5线程释放信号量
pool-1-thread-9线程持有信号量
当前可用的信号量为:0
pool-1-thread-4线程释放信号量
当前可用的信号量为:1
pool-1-thread-10线程持有信号量

从测试结果可以看出，当前最多只允许5个线程持有信号量而进入流程。从某种意义上看，信号量就像是车库的放行杆，车库的车位(相当于公共资源)是一定的，当有车(相当于线程)请求进入车库的时候，只有车库有车位的时候，才放行，车位满的时候就等待。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。