Java并发（十五）：并发工具类——信号量Semaphore

先做总结：

1、Semaphore是什么？

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。

把它比作是控制流量的红绿灯，比如XX马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入XX马路，但是如果前一百辆中有五辆车已经离开了XX马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。

2、Semaphore实现原理：

（1）semaphore实际是允许count个线程同时获取的共享锁。（semaphore = new Semaphore(count); 通过AQS实现，count即state）

（2）semaphore.acquire(); 获取semaphore的锁，

　　　　state>0：还有数量，可以获取锁，state - 1；

　　　　state<=0：线程数量已满，不能获取锁，需要将线程挂起并放入等待队列；

（3）semaphore.release(); 释放semaphore的锁，就是将 state+1 释放成功后，唤醒同步队列中的线程

一、应用举例

/**
 * 为了简单起见我们假设停车场仅有5个停车位，一开始停车场没有车辆所有车位全部空着，然后先后到来三辆车，停车场车位够，安排进去停车。
 * 然后又来三辆，这个时候由于只有两个停车位，所有只能停两辆，其余一辆必须在外面候着，直到停车场有空车位。
 * 当然以后每来一辆都需要在外面候着。当停车场有车开出去，里面有空位了，则安排一辆车进去（至于是哪辆 要看选择的机制是公平还是非公平）。
 * 
 * 从程序角度看，停车场就相当于信号量Semaphore，其中许可数为5，车辆就相对线程。 
 * 当来一辆车时，许可数就会减 1 ，当停车场没有车位了（许可书 ==0 ），其他来的车辆需要在外面等候着。
 * 如果有一辆车开出停车场，许可数 + 1，然后放进来一辆车。
 */
class SemaphoreTest {

    static class Parking {
        // 信号量
        private Semaphore semaphore;

        Parking(int count) {
            semaphore = new Semaphore(count);
        }

        public void park() {
            try {
                // 获取信号量
                semaphore.acquire();
                long time = (long) (Math.random() * 10);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场，停车" + time + "秒...");
                Thread.sleep(time);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }

    static class Car extends Thread {
        Parking parking;

        Car(Parking parking) {
            this.parking = parking;
        }

        @Override
        public void run() {
            parking.park(); // 进入停车场
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Parking parking = new Parking(3);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Car(parking).start();
        }
    }
    
    /** 输出结果
     * Thread-1进入停车场，停车2秒...
     * Thread-2进入停车场，停车5秒...
     * Thread-0进入停车场，停车3秒...
     * Thread-1开出停车场...
     * Thread-3进入停车场，停车0秒...
     * Thread-3开出停车场...
     * Thread-4进入停车场，停车0秒...
     * Thread-4开出停车场...
     * Thread-0开出停车场...
     * Thread-2开出停车场...
     */
}

二、类结构

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
    private final Sync sync;
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    static final class FairSync extends Sync {}
    static final class NonfairSync extends Sync {}
}

三、原理解析

    // new Semaphore(count),将AQS的state设置成许可数量count
    semaphore = new Semaphore(count);
    
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    /**
     * 获取semaphore的锁，
     * 获取到锁就可以继续操作，没有获取到锁就进入同步队列挂起
     */
    semaphore.acquire();
    
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    
    /**
     * state>0:还有数量，可以获取锁
     * state<=0:线程数量已满，不能获取锁，需要将线程挂起
     */
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

    /**
     * 释放semaphore的锁，就是将state+1
     * 释放成功后，唤醒同步队列中的下一个线程
     */
    semaphore.release();
    
    public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }

并发工具类（三）控制并发线程数的Semaphore

【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类：Semaphore