详解 java.util.concurrent.Semaphore 信号量

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前几天群里有网友问我信号量和线程池，我对信号量回答有些错误，后面群里其他网友做了更正，今天由于时间紧张，我就简单的在说一下信号量和线程池。

自从 jdk5.0 开始在 java.util.concurrent 包里提供了 Semaphore 的官方实现，因此大家不需要自己去实现 Semaphore。但是还是很有必要去熟悉如何使用 Semaphore 及其背后的原理。Semaphore（信号量）是一个线程同步结构，用于在线程间传递信号，以避免出现信号丢失，或者像锁一样用于保护一个关键区域。

信号量和线程池的使用场景非常的广泛，最简单的就是 Hystirx 中提供了两种模式执行逻辑：信号量、线程池。所以对于 JUC 这套视频，大家还是很有必要看一看的。

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。

Semaphore 维护了当前访问的个数，提供同步机制，控制同时访问的个数。在数据结构中链表可以保存“无限”的节点，用 Semaphore 可以实现有限大小的链表。另外重入锁 ReentrantLock 也可以实现该功能，但实现上要复杂些。 

package com.xttblog;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class Employee implements Runnable {
    private String id;
    private Semaphore semaphore;
    private static Random rand= new Random(47);

    public Employee(String id, Semaphore semaphore) {
        this.id = id;
        this.semaphore = semaphore;
    }

    public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(this.id + "is using the toilet");
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(rand.nextInt(2000));
                semaphore.release();
                System.out.println(this.id + "is leaving");
            } catch (InterruptedException e) {
            }
    }
}

public class ToiletRace {
    // 定义10个人上厕所
    private static final int THREAD_COUNT = 10;
    // 业余草：www.xttblog.com
    private static ExecutorService threadPool = Executors
            .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    // 定义5个坑位
    private static Semaphore s = new Semaphore(5);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Employee(String.valueOf(i), s));
        }

        threadPool.shutdown();
    }
}

这里我定义了 10 个人要上厕所，但是只有 5 个坑位，每个人消耗随机的时间，直接运行上面这段代码，可以看到一开始进去了 5 个人，后来就是陆陆续续的有人进，有人出了。但是正在使用的一定不会超过 5 个的。

acquire()

public void acquire()
    throws InterruptedException

从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。获取一个许可（如果提供了一个）并立即返回，将可用的许可数减 1。

如果没有可用的许可，则在发生以下两种情况之一前，禁止将当前线程用于线程安排目的并使其处于休眠状态：某些其他线程调用此信号量的 release()方法，并且当前线程是下一个要被分配许可的线程；或者其他某些线程中断当前线程。

如果当前线程：被此方法将其已中断状态设置为 on ；或者在等待许可时被中断。则抛出 InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。 

release()

public void release()

释放一个许可，将其返回给信号量。释放一个许可，将可用的许可数增加 1。如果任意线程试图获取许可，则选中一个线程并将刚刚释放的许可给予它。然后针对线程安排目的启用（或再启用）该线程。
不要求释放许可的线程必须通过调用 acquire() 来获取许可。通过应用程序中的编程约定来建立信号量的正确用法。

另外两个不常用的方法，public int availablePermits()查看现在可用的信号量。public int drainPermits()，这个方法返回即可所有的许可数目，并将许可置 0。public Semaphore(int permits) 其中参数permits就是允许同时运行的线程数目。

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