Java并发编程原理与实战二十八：信号量Semaphore

1.Semaphore简介

Semaphore，是JDK1.5的java.util.concurrent并发包中提供的一个并发工具类。

所谓Semaphore即 信号量 的意思。

这个叫法并不能很好地表示它的作用，更形象的说法应该是许可证管理器。

其作用在JDK注释中是这样描述的：

A counting semaphore. 
Conceptually, a semaphore maintains a set of permits. 
Each {@link #acquire} blocks if necessary until a permit is available, and then takes it. 
Each {@link #release} adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer. 
However, no actual permit objects are used; the {@code Semaphore} just keeps a count of the number available and acts accordingly.

翻译过来，就是：

• Semaphore是一个计数信号量。
• 从概念上将，Semaphore包含一组许可证。
• 如果有需要的话，每个acquire()方法都会阻塞，直到获取一个可用的许可证。
• 每个release()方法都会释放持有许可证的线程，并且归还Semaphore一个可用的许可证。
• 然而，实际上并没有真实的许可证对象供线程使用，Semaphore只是对可用的数量进行管理维护。

2.Semaphore方法说明

Semaphore的方法如下：

——Semaphore(permits)

初始化许可证数量的构造函数

——Semaphore(permits,fair)

初始化许可证数量和是否公平模式的构造函数

——isFair()

是否公平模式FIFO

——availablePermits()

获取当前可用的许可证数量

——acquire()

当前线程尝试去阻塞的获取1个许可证。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了1个可用的许可证，则会停止等待，继续执行。
• 当前线程被中断，则会抛出InterruptedException异常，并停止等待，继续执行。

——acquire(permits)

当前线程尝试去阻塞的获取permits个许可证。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了n个可用的许可证，则会停止等待，继续执行。
• 当前线程被中断，则会抛出InterruptedException异常，并停止等待，继续执行。

——acquierUninterruptibly()

当前线程尝试去阻塞的获取1个许可证(不可中断的)。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了1个可用的许可证，则会停止等待，继续执行。

——acquireUninterruptibly(permits)

当前线程尝试去阻塞的获取permits个许可证。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了n个可用的许可证，则会停止等待，继续执行。

——tryAcquire()

当前线程尝试去获取1个许可证。

此过程是非阻塞的，它只是在方法调用时进行一次尝试。

如果当前线程获取了1个可用的许可证，则会停止等待，继续执行，并返回true。

如果当前线程没有获得这个许可证，也会停止等待，继续执行，并返回false。

——tryAcquire(permits)

当前线程尝试去获取permits个许可证。

此过程是非阻塞的，它只是在方法调用时进行一次尝试。

如果当前线程获取了permits个可用的许可证，则会停止等待，继续执行，并返回true。

如果当前线程没有获得permits个许可证，也会停止等待，继续执行，并返回false。

——tryAcquire(timeout,TimeUnit)

当前线程在限定时间内，阻塞的尝试去获取1个许可证。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了可用的许可证，则会停止等待，继续执行，并返回true。
• 当前线程等待时间timeout超时，则会停止等待，继续执行，并返回false。
• 当前线程在timeout时间内被中断，则会抛出InterruptedException一次，并停止等待，继续执行。

——tryAcquire(permits,timeout,TimeUnit)

当前线程在限定时间内，阻塞的尝试去获取permits个许可证。

此过程是阻塞的，它会一直等待许可证，直到发生以下任意一件事：

• 当前线程获取了可用的permits个许可证，则会停止等待，继续执行，并返回true。
• 当前线程等待时间timeout超时，则会停止等待，继续执行，并返回false。
• 当前线程在timeout时间内被中断，则会抛出InterruptedException一次，并停止等待，继续执行。

——release()

当前线程释放1个可用的许可证。

——release(permits)

当前线程释放permits个可用的许可证。

——drainPermits()

当前线程获得剩余的所有可用许可证。

——hasQueuedThreads()

判断当前Semaphore对象上是否存在正在等待许可证的线程。

——getQueueLength()

获取当前Semaphore对象上是正在等待许可证的线程数量。

3.Semaphore方法练习

练习目的：熟悉Semaphore的各类方法的用法。

实例代码：

//new Semaphore(permits)：初始化许可证数量的构造函数
Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

//new Semaphore(permits,fair):初始化许可证数量和是否公平模式的构造函数
semaphore = new Semaphore(5, true);

//isFair()：是否公平模式FIFO
System.out.println("是否公平FIFO：" + semaphore.isFair());

//availablePermits():获取当前可用的许可证数量
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：开始---" + semaphore.availablePermits());

//acquire():获取1个许可证
//---此线程会一直阻塞，直到获取这个许可证，或者被中断(抛出InterruptedException异常)。
semaphore.acquire();
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：acquire 1 个---" + semaphore.availablePermits());

//release()：释放1个许可证
semaphore.release();
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：release 1 个---" + semaphore.availablePermits());

//acquire(permits):获取n个许可证
//---此线程会一直阻塞，直到获取全部n个许可证,或者被中断(抛出InterruptedException异常)。
semaphore.acquire(2);
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：acquire 2 个---" + semaphore.availablePermits());

//release(permits):释放n个许可证
semaphore.release(2);
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：release 1 个---" + semaphore.availablePermits());

//hasQueuedThreads():是否有正在等待许可证的线程
System.out.println("是否有正在等待许可证的线程：" + semaphore.hasQueuedThreads());

//getQueueLength():正在等待许可证的队列长度(线程数量)
System.out.println("正在等待许可证的队列长度(线程数量)：" + semaphore.getQueueLength());

Thread.sleep(10);
System.out.println();
//定义final的信号量
Semaphore finalSemaphore = semaphore;
new Thread(() -> {
    //drainPermits():获取剩余的所有的许可证
    int permits = finalSemaphore.drainPermits();
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取了剩余的全部" + permits + "个许可证.");
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    //释放所有的许可证
    finalSemaphore.release(permits);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了" + permits + "个许可证.");
}).start();

Thread.sleep(10);
new Thread(() -> {
    try {
        //有一个线程正在等待获取1个许可证
        finalSemaphore.acquire();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取了1个许可证.");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    //释放1个许可证
    finalSemaphore.release();
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了1个许可证.");

}).start();
Thread.sleep(10);
System.out.println();
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：drain 剩余的---" + finalSemaphore.availablePermits());
System.out.println("是否有正在等待许可证的线程：" + finalSemaphore.hasQueuedThreads());
System.out.println("正在等待许可证的队列长度(线程数量)：" + finalSemaphore.getQueueLength());
System.out.println();

Thread.sleep(10);
new Thread(() -> {
    try {
        //有一个线程正在等待获取2个许可证
        finalSemaphore.acquire(2);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取了2个许可证.");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    //释放两个许可证
    finalSemaphore.release(2);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了2个许可证.");
}).start();
Thread.sleep(10);
System.out.println();
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：drain 剩余的---" + finalSemaphore.availablePermits());
System.out.println("是否有正在等待许可证的线程：" + finalSemaphore.hasQueuedThreads());
System.out.println("正在等待许可证的队列长度(线程数量)：" + finalSemaphore.getQueueLength());
System.out.println();

Thread.sleep(5000);
System.out.println();
System.out.println("获取当前可用的许可证数量：---" + finalSemaphore.availablePermits());
System.out.println("是否有正在等待许可证的线程：" + finalSemaphore.hasQueuedThreads());
System.out.println("正在等待许可证的队列长度(线程数量)：" + finalSemaphore.getQueueLength());

运行结果：

是否公平FIFO：true
获取当前可用的许可证数量：开始---5
获取当前可用的许可证数量：acquire 1 个---4
获取当前可用的许可证数量：release 1 个---5
获取当前可用的许可证数量：acquire 2 个---3
获取当前可用的许可证数量：release 1 个---5
是否有正在等待许可证的线程：false
正在等待许可证的队列长度(线程数量)：0

Thread-0获取了剩余的全部5个许可证.

获取当前可用的许可证数量：drain 剩余的---0
是否有正在等待许可证的线程：true
正在等待许可证的队列长度(线程数量)：1


获取当前可用的许可证数量：drain 剩余的---0
是否有正在等待许可证的线程：true
正在等待许可证的队列长度(线程数量)：2

Thread-0释放了5个许可证.
Thread-2获取了2个许可证.
Thread-1获取了1个许可证.
Thread-1释放了1个许可证.
Thread-2释放了2个许可证.

获取当前可用的许可证数量：---5
是否有正在等待许可证的线程：false
正在等待许可证的队列长度(线程数量)：0

4.Semaphore应用场景-实例

Semaphore经常用于限制获取某种资源的线程数量。

场景说明：

• 模拟学校食堂的窗口打饭过程
• 学校食堂有2个打饭窗口
• 学校中午有20个学生 按次序 排队打饭
• 每个人打饭时耗费时间不一样
• 有的学生耐心很好，他们会一直等待直到打到饭
• 有的学生耐心不好，他们等待时间超过了心里预期，就不再排队，而是回宿舍吃泡面了
• 有的学生耐心很好，但是突然接到通知，说是全班聚餐，所以也不用再排队，而是去吃大餐了

重点分析

• 食堂有2个打饭窗口：需要定义一个permits=2的Semaphore对象。
• 学生 按次序 排队打饭：此Semaphore对象是公平的。
• 有20个学生：定义20个学生线程。
• 打到饭的学生：调用了acquireUninterruptibly()方法，无法被中断
• 吃泡面的学生：调用了tryAcquire(timeout,TimeUnit)方法，并且等待时间超时了
• 吃大餐的学生：调用了acquire()方法，并且被中断了

实例代码：

定义2个窗口的食堂

/**
 * 打饭窗口
 * 2：   2个打饭窗口
 * true：公平队列-FIFO
 */
static Semaphore semaphore = new Semaphore(2, true);

定义打饭学生

/**
 * <p>打饭学生</p>
 *
 * @author hanchao 2018/3/31 19:45
 **/
static class Student implements Runnable {
    private static final Logger LOGGER = Logger.getLogger(Student.class);
    //学生姓名
    private String name;
    //打饭许可
    private Semaphore semaphore;
    /**
     * 打饭方式
     * 0    一直等待直到打到饭
     * 1    等了一会不耐烦了，回宿舍吃泡面了
     * 2    打饭中途被其他同学叫走了，不再等待
     */
    private int type;

    public Student(String name, Semaphore semaphore, int type) {
        this.name = name;
        this.semaphore = semaphore;
        this.type = type;
    }

    /**
     * <p>打饭</p>
     *
     * @author hanchao 2018/3/31 19:49
     **/
    @Override
    public void run() {
        //根据打饭情形分别进行不同的处理
        switch (type) {
            //打饭时间
            //这个学生很有耐心，它会一直排队直到打到饭
            case 0:
                //排队
                semaphore.acquireUninterruptibly();
                //进行打饭
                try {
                    Thread.sleep(RandomUtils.nextLong(1000, 3000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //将打饭机会让后后面的同学
                semaphore.release();
                //打到了饭
                LOGGER.info(name + " 终于打到了饭.");
                break;

            //这个学生没有耐心，等了1000毫秒没打到饭，就回宿舍泡面了
            case 1:
                //排队
                try {
                    //如果等待超时，则不再等待，回宿舍吃泡面
                    if (semaphore.tryAcquire(RandomUtils.nextInt(6000, 16000), TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        //进行打饭
                        try {
                            Thread.sleep(RandomUtils.nextLong(1000, 3000));
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        //将打饭机会让后后面的同学
                        semaphore.release();
                        //打到了饭
                        LOGGER.info(name + " 终于打到了饭.");
                    } else {
                        //回宿舍吃泡面
                        LOGGER.info(name + " 回宿舍吃泡面.");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    //e.printStackTrace();
                }
                break;

            //这个学生也很有耐心，但是他们班突然宣布聚餐，它只能放弃打饭了
            case 2:
                //排队
                try {
                    semaphore.acquire();
                    //进行打饭
                    try {
                        Thread.sleep(RandomUtils.nextLong(1000, 3000));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        //e.printStackTrace();
                    }
                    //将打饭机会让后后面的同学
                    semaphore.release();
                    //打到了饭
                    LOGGER.info(name + " 终于打到了饭.");
                } catch (InterruptedException e) {
                    //e.printStackTrace();
                    //被叫去聚餐，不再打饭
                    LOGGER.info(name + " 全部聚餐，不再打饭.");
                }
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

编写食堂打饭过程：

/**
* <p>食堂打饭</p>
 *
 * @author hanchao 2018/3/31 21:13
 **/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    //101班的学生
    Thread[] students101 = new Thread[5];
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        //前10个同学都在耐心的等待打饭
        if (i < 10) {
            new Thread(new Student("打饭学生" + i, SemaphoreDemo.semaphore, 0)).start();
        } else if (i >= 10 && i < 15) {//这5个学生没有耐心打饭，只会等1000毫秒
            new Thread(new Student("泡面学生" + i, SemaphoreDemo.semaphore, 1)).start();
        } else {//这5个学生没有耐心打饭
            students101[i - 15] = new Thread(new Student("聚餐学生" + i, SemaphoreDemo.semaphore, 2));
            students101[i - 15].start();
        }
    }
    //
    Thread.sleep(5000);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        students101[i].interrupt();
    }
}

运行结果：

2018-04-01 21:13:16 INFO - 打饭学生1 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:16 INFO - 打饭学生0 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:18 INFO - 打饭学生2 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:18 INFO - 打饭学生3 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 聚餐学生15 全部聚餐，不再打饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 聚餐学生19 全部聚餐，不再打饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 聚餐学生17 全部聚餐，不再打饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 聚餐学生18 全部聚餐，不再打饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 聚餐学生16 全部聚餐，不再打饭.
2018-04-01 21:13:19 INFO - 打饭学生4 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:20 INFO - 打饭学生5 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:21 INFO - 泡面学生13 回宿舍吃泡面.
2018-04-01 21:13:21 INFO - 泡面学生11 回宿舍吃泡面.
2018-04-01 21:13:21 INFO - 打饭学生7 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:22 INFO - 打饭学生6 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:23 INFO - 打饭学生9 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:24 INFO - 打饭学生8 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:24 INFO - 泡面学生10 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:26 INFO - 泡面学生14 终于打到了饭.
2018-04-01 21:13:26 INFO - 泡面学生12 终于打到了饭.