Java多線程之Semaphore實現(xiàn)信號燈

更新時間：2021年10月28日 09:09:37 作者：冬日毛毛雨

這篇文章主要給大家分享的是Java多線程之Semaphore實現(xiàn)信號燈的練習(xí)，emaphore是計數(shù)信號量。Semaphore管理一系列許可證。每個acquire方法阻塞，直到有一個許可證可以獲得然后拿走一個許可證；下面一起進(jìn)入文章學(xué)習(xí)Semaphore的具體內(nèi)容

Semaphore是計數(shù)信號量。Semaphore管理一系列許可證。每個acquire方法阻塞，直到有一個許可證可以獲得然后拿走一個許可證；每個release方法增加一個許可證，這可能會釋放一個阻塞的acquire方法。然而，其實并沒有實際的許可證這個對象，Semaphore只是維持了一個可獲得許可證的數(shù)量。
Semaphore可以維護(hù)當(dāng)前訪問自身的線程個數(shù)，并提供了同步機制。使用Semaphore可以控制同時訪問資源的線程個數(shù)，例如，實現(xiàn)一個文件允許的并發(fā)訪問數(shù)。

1 Semaphore的主要方法

Semaphore(int permits):構(gòu)造方法，創(chuàng)建具有給定許可數(shù)的計數(shù)信號量并設(shè)置為非公平信號量。

Semaphore(int permits,boolean fair):構(gòu)造方法，當(dāng)fair等于true時，創(chuàng)建具有給定許可數(shù)的計數(shù)信號量并設(shè)置為公平信號量。

void acquire():當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取1個許可證。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了1個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)前線程被中斷，則會拋出InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void acquire(int n):從此信號量獲取給定數(shù)目許可，在提供這些許可前一直將線程阻塞。
當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取多個許可證。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了n個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)前線程被中斷，則會拋出InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void release():釋放一個許可，將其返回給信號量。

void release(int n):釋放n個許可。

int availablePermits()：當(dāng)前可用的許可數(shù)。
void acquierUninterruptibly():當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取1個許可證(不可中斷的)。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了1個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void acquireUninterruptibly(permits):當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取多個許可證。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了n個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

boolean tryAcquire()當(dāng)前線程嘗試去獲取1個許可證。

此過程是非阻塞的，它只是在方法調(diào)用時進(jìn)行一次嘗試。
如果當(dāng)前線程獲取了1個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
如果當(dāng)前線程沒有獲得這個許可證，也會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。

boolean tryAcquire(permits)：當(dāng)前線程嘗試去獲取多個許可證。

此過程是非阻塞的，它只是在方法調(diào)用時進(jìn)行一次嘗試。
如果當(dāng)前線程獲取了permits個可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
如果當(dāng)前線程沒有獲得permits個許可證，也會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。

boolean tryAcquire(timeout,TimeUnit)：當(dāng)前線程在限定時間內(nèi)，阻塞的嘗試去獲取1個許可證。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了可用的許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
當(dāng)前線程等待時間timeout超時，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。
當(dāng)前線程在timeout時間內(nèi)被中斷，則會拋出InterruptedException一次，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

boolean tryAcquire(permits,timeout,TimeUnit)：當(dāng)前線程在限定時間內(nèi)，阻塞的嘗試去獲取permits個許可證。

此過程是阻塞的，它會一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了可用的permits個許可證，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
當(dāng)前線程等待時間timeout超時，則會停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。
當(dāng)前線程在timeout時間內(nèi)被中斷，則會拋出InterruptedException一次，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

2 實例講解

public class SemaphoreTest {

    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();

        String[] name = {"Jack", "Pony", "Larry", "Martin", "James", "ZhangSan","Tree"};

        int[] age = {21,22,23,24,25,26,27};

        for(int i=0;i<7;i++)
        {
            Thread t1=new InformationThread(name[i],age[i]);
            executor.execute(t1);
        }
    }

    private static class InformationThread extends Thread {
        private final String name;
        private final int age;

        public InformationThread(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }


        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + ":大家好，我是" + name + "我今年" + age +
                        "當(dāng)前時間段為：" + System.currentTimeMillis());
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name + "要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：" + System.currentTimeMillis());
                System.out.println("當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：" + semaphore.availablePermits());
                System.out.println("是否有正在等待許可證的線程：" + semaphore.hasQueuedThreads());
                System.out.println("正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：" + semaphore.getQueueLength());
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時間段為：1543498535306
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時間段為：1543498535306
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時間段為：1543498535306
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498536310
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498536310
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498536310
是否有正在等待許可證的線程：true
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：4
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：4
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時間段為：1543498536311
是否有正在等待許可證的線程：true
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時間段為：1543498536311
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時間段為：1543498536312
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498537315
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498537315
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：1
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時間段為：1543498537316
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498537317
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：1
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498538319
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：2
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0

以上是非公平信號量，將建立Semaphore對象的語句改為如下語句：

private static final Semaphore semaphore=new Semaphore(3,true);

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時間段為：1543498810563
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時間段為：1543498810564
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時間段為：1543498810563
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498811564
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：4
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時間段為：1543498811564
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498811568
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498811568
是否有正在等待許可證的線程：true
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：3
是否有正在等待許可證的線程：true
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時間段為：1543498811568
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時間段為：1543498811568
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498812566
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：1
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時間段為：1543498812566
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498812572
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498812572
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：1
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543498813568
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：2
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0

實現(xiàn)單例模式

將創(chuàng)建信號量對象語句修改如下：

private static final Semaphore semaphore=new Semaphore(1);

運行程序，結(jié)果如下：

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時間段為：1543499053898
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499054903
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：6
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時間段為：1543499054904
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499055907
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：5
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時間段為：1543499055907
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499056909
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：4
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時間段為：1543499056909
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499057913
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：3
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時間段為：1543499057913
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499058914
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時間段為：1543499058915
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499059919
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：1
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時間段為：1543499059919
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時間為：1543499060923
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊列長度(線程數(shù)量)：0

如上可知，如果將給定許可數(shù)設(shè)置為1，就如同一個單例模式，即單個停車位，只有一輛車進(jìn)，然后這輛車出來后，下一輛車才能進(jìn)。

3 源碼解析

Semaphore有兩種模式，公平模式和非公平模式。公平模式就是調(diào)用acquire的順序就是獲取許可證的順序，遵循FIFO；而非公平模式是搶占式的，也就是有可能一個新的獲取線程恰好在一個許可證釋放時得到了這個許可證，而前面還有等待的線程。

構(gòu)造方法

Semaphore有兩個構(gòu)造方法，如下：

 public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

獲取許可

先從獲取一個許可看起，并且先看非公平模式下的實現(xiàn)。首先看acquire方法，acquire方法有幾個重載，但主要是下面這個方法

  public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
    }

從上面可以看到，調(diào)用了Sync的acquireSharedInterruptibly方法，該方法在父類AQS中，如下：

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) //如果線程被中斷了，拋出異常
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0) //獲取許可失敗，將線程加入到等待隊列中
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

AQS子類如果要使用共享模式的話，需要實現(xiàn)tryAcquireShared方法，下面看NonfairSync的該方法實現(xiàn)：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }

該方法調(diào)用了父類中的nonfairTyAcquireShared方法，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //獲取剩余許可數(shù)量
                int available = getState();
                //計算給完這次許可數(shù)量后的個數(shù)
                int remaining = available - acquires;
                //如果許可不夠或者可以將許可數(shù)量重置的話，返回
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

從上面可以看到，只有在許可不夠時返回值才會小于0，其余返回的都是剩余許可數(shù)量，這也就解釋了，一旦許可不夠，后面的線程將會阻塞?？赐炅朔枪降墨@取，再看下公平的獲取，

代碼如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //如果前面有線程再等待，直接返回-1
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                //后面與非公平一樣
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

從上面可以看到，FairSync與NonFairSync的區(qū)別就在于會首先判斷當(dāng)前隊列中有沒有線程在等待，如果有，就老老實實進(jìn)入到等待隊列；而不像NonfairSync一樣首先試一把，說不定就恰好獲得了一個許可，這樣就可以插隊了。
看完了獲取許可后，再看一下釋放許可。

釋放許可

釋放許可也有幾個重載方法，但都會調(diào)用下面這個帶參數(shù)的方法，

public void release(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.releaseShared(permits);
    }

releaseShared方法在AQS中，如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
        //如果改變許可數(shù)量成功
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

AQS子類實現(xiàn)共享模式的類需要實現(xiàn)tryReleaseShared類來判斷是否釋放成功，

實現(xiàn)如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                //獲取當(dāng)前許可數(shù)量
                int current = getState();
                //計算回收后的數(shù)量
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                //CAS改變許可數(shù)量成功，返回true
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

從上面可以看到，一旦CAS改變許可數(shù)量成功，那么就會調(diào)用doReleaseShared()方法釋放阻塞的線程。

減小許可數(shù)量

Semaphore還有減小許可數(shù)量的方法，該方法可以用于用于當(dāng)資源用完不能再用時，這時就可以減小許可證。代碼如下：

protected void reducePermits(int reduction) {
        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.reducePermits(reduction);
    }

可以看到，委托給了Sync，Sync的reducePermits方法如下：

  final void reducePermits(int reductions) {
            for (;;) {
                //得到當(dāng)前剩余許可數(shù)量
                int current = getState();
                //得到減完之后的許可數(shù)量
                int next = current - reductions;
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                //如果CAS改變成功
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }

從上面可以看到，就是CAS改變AQS中的state變量，因為該變量代表許可證的數(shù)量。

獲取剩余許可數(shù)量

Semaphore還可以一次將剩余的許可數(shù)量全部取走，該方法是drain方法，

如下：

public int drainPermits() {
        return sync.drainPermits();
    }

Sync的實現(xiàn)如下：

 final int drainPermits() {
            for (;;) {
                int current = getState();
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }

可以看到，就是CAS將許可數(shù)量置為0。

4、總結(jié)

Semaphore是信號量，用于管理一組資源。其內(nèi)部是基于AQS的共享模式，AQS的狀態(tài)表示許可證的數(shù)量，在許可證數(shù)量不夠時，線程將會被掛起；而一旦有一個線程釋放一個資源，那么就有可能重新喚醒等待隊列中的線程繼續(xù)執(zhí)行。

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