Semaphore 是一个控制访问多个共享资源的计数器。

当一个线程想要访问某个共享资源,首先,它必须获得 semaphore。如果 semaphore 的内部计数器的值大于 0,那么 semaphore 减少计数器的值并允许访问共享的资源。计数器的值大于 0 表示,有可以自由使用的资源,所以线程可以访问并使用它们。另一种情况,如果 semaphore 的计数器的值等于 0,那么 semaphore 让线程进入休眠状态一直到计数器大于 0。计数器的值等于 0 表示全部的共享资源都正被线程们使用,所以此线程想要访问就必须等到某个资源成为自由的。当线程使用完共享资源时,它必须释放 semaphore 以便其他线程可以访问共享资源。这个操作会增加 semaphore 的内部计数器的值。

二进制信号量

二进制信号量(binary semaphores)是一种比较特殊的信号量,这种信号量只保护访问唯一的共享资源,它的内部计数器值只能是 1 或者 0。

假设有若干个线程排队执行打印任务,打印机在同一时间只能执行单个任务,打印过程中其他线程只能挂起等待。

public class Printer {

    private final Semaphore semaphore;

    public Printer() {
semaphore = new Semaphore(1);
} public void print(Object doc) {
try {
semaphore.acquire();
Long duration = (long) (Math.random() * 10);
System.out.printf("%s: PrintQueue: Printing a Job during %d seconds\n", Thread.currentThread().getName(), duration);
TimeUnit.SECONDS.sleep(duration);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
}
} } public class PrintJob implements Runnable { private Printer printer; public PrintJob(Printer printer) {
this.printer = printer;
} @Override
public void run() {
System.out.printf("%s: Going to print a job\n", Thread.currentThread().getName());
printer.print(new Object());
System.out.printf("%s: The document has been printed\n", Thread.currentThread().getName());
} } public class Main { public static void main (String args[]){
Printer printer = new Printer(); Thread[] threads = new Thread[10];
for (int i = 0; i < 10; i++){
threads[i] = new Thread(new PrintJob(printer), "Thread" + i);
threads[i].start();
}
} }

运行结果:

Thread1: Going to print a job
Thread6: Going to print a job
Thread9: Going to print a job
Thread7: Going to print a job
Thread8: Going to print a job
Thread4: Going to print a job
Thread5: Going to print a job
Thread3: Going to print a job
Thread0: Going to print a job
Thread2: Going to print a job
Thread1: PrintQueue: Printing a Job during 7 seconds
Thread1: The document has been printed
Thread6: PrintQueue: Printing a Job during 5 seconds
Thread6: The document has been printed
Thread9: PrintQueue: Printing a Job during 4 seconds
Thread9: The document has been printed
Thread7: PrintQueue: Printing a Job during 8 seconds
Thread7: The document has been printed
Thread8: PrintQueue: Printing a Job during 6 seconds
Thread8: The document has been printed
Thread4: PrintQueue: Printing a Job during 2 seconds
Thread4: The document has been printed
Thread5: PrintQueue: Printing a Job during 0 seconds
Thread5: The document has been printed
Thread3: PrintQueue: Printing a Job during 7 seconds
Thread3: The document has been printed
Thread0: PrintQueue: Printing a Job during 0 seconds
Thread0: The document has been printed
Thread2: PrintQueue: Printing a Job during 5 seconds
Thread2: The document has been printed

这个例子的关键是 Printer 类的 print() 方法。此方法展示了当你使用 semaphore 来实现临界区以保护共享资源时必须遵守的三个步骤:

  1. 首先,调用 acquire() 方法获得信号量;
  2. 然后,操作共享资源;
  3. 最后,调用 release()  方法释放信号量。

另一个重点是 Printer 类的构造方法和初始化 Semaphore 对象。将信号量初始化为 1,就是创建了一个二进制信号量。二进制信号量只保护一个共享资源,这个例子中就是 printer。当开始 10 个线程时,第一个获得 semaphore 的线程就获得临界区的访问权,其他线程都会被 semaphore 阻塞,直到获得 semaphore 的线程释放它。当 semaphore 被释放时,它会在等待的线程中选择其中一个并赋予其临界区的访问权。所有的打印任务都会被执行,只是它们需要排队,一个接一个地执行。

控制并发访问多个共享资源

在上个例子,使用二进制信号量来保护一个共享资源。但是,信号量也可以用来保护多个共享资源。下面的类使用信号量控制对内容池的访问:

class Pool {
private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true); public Object getItem() throws InterruptedException {
available.acquire();
return getNextAvailableItem();
} public void putItem(Object x) {
if (markAsUnused(x))
available.release();
} // Not a particularly efficient data structure; just for demo protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed
protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE]; protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (!used[i]) {
used[i] = true;
return items[i];
}
}
return null; // not reached
} protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (item == items[i]) {
if (used[i]) {
used[i] = false;
return true;
} else
return false;
}
}
return false;
} }

公平模式

与 ReentrantLock 一样,Semaphore 也提供一个接收 fair 参数的构造方法。当此参数置为 true 时,Semaphore 保证等待时间最久的线程优先获得信号量。

Semaphore 的方法

Semaphore 类有另外 2 个版本的 acquire() 方法:

  • acquireUninterruptibly():acquire()方法是当 semaphore 的内部计数器的值为 0 时,阻塞线程直到 semaphore 被释放。在阻塞期间,线程可能会被中断,然后此方法抛出 InterruptedException 异常。而此版本的 acquire 方法会忽略线程的中断而且不会抛出任何异常。
  • tryAcquire():此方法会尝试获取 semaphore。如果成功,返回true。如果不成功,返回 false 值,并不会被阻塞和等待 semaphore 的释放。

acquire、acquireUninterruptibly、tryAcquire 和 release 方法有一个外加的包含一个 int 参数的版本。这个参数表示线程想要获取或者释放 semaphore 的许可数。

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