Java 信号量 Semaphore 入门介绍
一、简介
二、概念
2.1、Semaphore信号量模型
2.2、Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得
2.3、公平/非公平模式
2.4、主要的方法
三、Semaphore应用场景
示例-1：Semaphore可以做到一个deadlock recovery的示例
示例2-Semaphore限流
一、简介
信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施, 它负责协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。
一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。拿到信号量的线程可以进入代码，否则就等待。通过acquire()和release()获取和释放访问许可。
Semaphore通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。
二、概念
2.1、Semaphore信号量模型
Semaphore（信号量）并不是 Java 语言特有的，几乎所有的并发语言都有。所以也就存在一个信号量模型的概念，如下图所示：
信号量模型比较简单，可以概括为：一个计数器、一个队列、三个方法。
- 计数器：记录当前还可以运行多少个线程访问资源。
- 队列：待访问资源的线程
三个方法：
- init()：初始化计数器的值，可就是允许多少线程同时访问资源。
- up()：计数器加1，有线程归还资源时，如果计数器的值大于或者等于 0 时，从等待队列中唤醒一个线程
- down()：计数器减 1，有线程占用资源时，如果此时计数器的值小于 0 ，线程将被阻塞。
这三个方法都是原子性的，由实现方保证原子性。例如在 Java 语言中，JUC 包下的 Semaphore 实现了信号量模型，所以 Semaphore 保证了这三个方法的原子性。
2.2、Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得
将信号量初始化为 1，使得它在使用时最多只有一个可用的许可，从而可用作一个相互排斥的锁。这通常也称为二进制信号量，因为它只能有两种状态：一个可用的许可，或零个可用的许可。按此方式使用时，二进制信号量具有某种属性（与很多 Lock 实现不同），即可以由线程释放“锁”，而不是由所有者（因为信号量没有所有权的概念）。在某些专门的上下文（如死锁恢复）中这会很有用。
此类的构造方法可选地接受一个公平 参数。当设置为 false 时，此类不对线程获取许可的顺序做任何保证。特别地，闯入 是允许的，也就是说可以在已经等待的线程前为调用 acquire() 的线程分配一个许可，从逻辑上说，就是新线程将自己置于等待线程队列的头部。当公平设置为 true 时，信号量保证对于任何调用获取方法的线程而言，都按照处理它们调用这些方法的顺序（即先进先出；FIFO）来选择线程、获得许可。注意，FIFO 排序必然应用到这些方法内的指定内部执行点。所以，可能某个线程先于另一个线程调用了 acquire，但是却在该线程之后到达排序点，并且从方法返回时也类似。还要注意，非同步的 tryAcquire 方法不使用公平设置，而是使用任意可用的许可。
通常，应该将用于控制资源访问的信号量初始化为公平的，以确保所有线程都可访问资源。为其他的种类的同步控制使用信号量时，非公平排序的吞吐量优势通常要比公平考虑更为重要。
此类还提供便捷的方法来同时 acquire 和释放多个许可。小心，在未将公平设置为 true 时使用这些方法会增加不确定延期的风险。
内存一致性效果：线程中调用“释放”方法（比如 release()）之前的操作 happen-before 另一线程中紧跟在成功的“获取”方法（比如 acquire()）之后的操作。
2.3、公平/非公平模式
Semaphore 类中，实现了两种信号量：公平的信号量和非公平的信号量：
- 公平的信号量就是大家排好队，先到先进，
- 非公平的信号量就是不一定先到先进，允许插队。非公平的信号量效率会高一些，所以默认使用的是非公平信号量。
JDK中定义如下：
Semaphore(int permits, boolean fair)
创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。
2.4、主要的方法
| 构造方法摘要 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Semaphore(int permits) 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。 |
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Semaphore(int permits, boolean fair)
创建具有给定的许可数和给定的公平设置的
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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。
三、Semaphore应用场景
实现互斥锁功能：（对应上面的单值）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。
控制同时访问的个数：（对应上面的多值）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。
示例-1：Semaphore可以做到一个deadlock recovery的示例
package com.dxz.semaphore2; import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.TimeUnit; class WorkThread1 extends Thread { private Semaphore semaphore1, semaphore2; public WorkThread1(Semaphore semaphore1, Semaphore semaphore2) { this.semaphore1 = semaphore1; this.semaphore2 = semaphore2; } public void releaseSemaphore2() { System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 释放Semaphore2"); semaphore2.release(); } public void run() { try { semaphore1.acquire(); // 先获取Semaphore1 System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 获得Semaphore1"); TimeUnit.SECONDS.sleep(5); // 等待5秒让WorkThread1先获得Semaphore2 semaphore2.acquire();// 获取Semaphore2 System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 获得Semaphore2"); System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "线程开始干活"); System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "线程事情干完"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "释放semaphore1、semaphore2"); semaphore1.release(); semaphore2.release(); } } } class WorkThread2 extends Thread { private Semaphore semaphore1, semaphore2; public WorkThread2(Semaphore semaphore1, Semaphore semaphore2) { this.semaphore1 = semaphore1; this.semaphore2 = semaphore2; } public void run() { try { semaphore2.acquire();// 先获取Semaphore2 System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 获得Semaphore2"); TimeUnit.SECONDS.sleep(5);// 等待5秒，让WorkThread1先获得Semaphore1 semaphore1.acquire();// 获取Semaphore1 System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " 获得Semaphore1"); System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "线程开始干活"); System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "线程事情干完"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "释放semaphore2、semaphore1"); semaphore2.release(); semaphore1.release(); } } } public class SemphoreTest { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Semaphore semaphore1 = new Semaphore(1); Semaphore semaphore2 = new Semaphore(1); new WorkThread1(semaphore1, semaphore2).start(); new WorkThread2(semaphore1, semaphore2).start(); System.out.println("2个线程已经启动"); // 此时已经陷入了死锁，WorkThread1持有semaphore1的许可，请求semaphore2的许可 // WorkThread2持有semaphore2的许可，请求semaphore1的许可 TimeUnit.SECONDS.sleep(10); //在主线程释放semaphore1或semaphore2,解决死锁 System.out.println("10秒后，主线程释放semaphore1"); semaphore1.release(); } }
输出：
10 获得Semaphore1 2个线程已经启动 11 获得Semaphore2 10秒后，主线程释放semaphore1 2个线程运行完毕 11 获得Semaphore1 11线程开始干活 11线程事情干完 11释放semaphore2、semaphore1 10 获得Semaphore2 10线程开始干活 10线程事情干完 10释放semaphore1、semaphore2
这即符合文档中说的，通过一个非owner的线程来实现死锁恢复，但如果你使用的是Lock则做不到，可以把代码中的两个信号量换成两个锁对象试试。很明显，前面也验证过了，要使用Lock.unlock()来释放锁，首先你得拥有这个锁对象，因此非owner线程（事先没有拥有锁）是无法去释放别的线程的锁对象。
示例2-Semaphore限流：
Semaphore 可以用来限流（流量控制），在一些公共资源有限的场景下，Semaphore 可以派上用场。比如在做日志清洗时，可能有几十个线程在并发清洗，但是将清洗的数据存入到数据库时，可能只给数据库分配了 10 个连接池，这样两边的线程数就不对等了，我们必须保证同时只能有 10 个线程获取数据库链接，否则就会存在大量线程无法链接上数据库。
用 Semaphore 信号量来模拟这操作，代码如下：
package com.dxz.semaphore1; import java.text.SimpleDateFormat; import java.util.Date; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Semaphore; /** * semaphore 信号量，可以限流 模拟并发数据库操作，同时有三十个请求，但是系统每秒只能处理 5 个 */ public class SemaphoreDemo { private static final int THREAD_COUNT = 30; private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT); // 初始化信号量，个数为 5 private static Semaphore s = new Semaphore(5); public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { threadPool.execute(new Runnable() { @Override public void run() { try { // 获取许可 s.acquire(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成数据库操作 ," + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss").format(new Date())); System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "进入，当前已有" + (5 - s.availablePermits()) + "个并发"); // 休眠两秒钟，效果更直观 Thread.sleep(2000); // 释放许可 s.release(); } catch (InterruptedException e) { } } }); } // 关闭连接池 threadPool.shutdown(); } }
运行效果：
线程pool-1-thread-28进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-11 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:15 线程pool-1-thread-11进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-15 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:17 线程pool-1-thread-15进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-19 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:17 线程pool-1-thread-19进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-23 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:17 线程pool-1-thread-23进入，当前已有4个并发 pool-1-thread-27 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:17 线程pool-1-thread-27进入，当前已有4个并发 pool-1-thread-10 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:17 线程pool-1-thread-10进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-14 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:19 线程pool-1-thread-14进入，当前已有5个并发 pool-1-thread-18 完成数据库操作 ,2021-04-15 02:02:19 线程pool-1-thread-18进入，当前已有5个并发
从结果中，可以看出，每秒只有 5 个线程在执行，这符合我们的预期。
限流2：下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore，而有20个线程要访问这个资源，通过acquire()和release()获取和释放访问许可。
package com.dxz.semaphore;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class TestSemaphore {
public static void main(String[] args) {
// 线程池
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
// 只能5个线程同时访问
final Semaphore semp = new Semaphore(5);
// 模拟20个客户端访问
for (int index = 0; index < 20; index++) {
final int NO = index;
Runnable run = new Runnable() {
public void run() {
try {
// 获取许可
semp.acquire();
System.out.println("Accessing: " + NO);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
// 访问完后，释放
semp.release();
System.out.println("semp.availablePermits()==" + semp.availablePermits());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
exec.execute(run);
}
// 退出线程池
exec.shutdown();
}
}
执行结果如下：
Accessing: 0
Accessing: 2
Accessing: 4
Accessing: 6
Accessing: 8
semp.availablePermits()==0
Accessing: 10
Accessing: 12
semp.availablePermits()==0
semp.availablePermits()==1
Accessing: 14
semp.availablePermits()==1
Accessing: 16
semp.availablePermits()==1
Accessing: 18
semp.availablePermits()==1
Accessing: 1
semp.availablePermits()==1
Accessing: 3
semp.availablePermits()==1
Accessing: 5
semp.availablePermits()==1
Accessing: 7
semp.availablePermits()==1
Accessing: 9
semp.availablePermits()==1
Accessing: 11
Accessing: 13
semp.availablePermits()==0
semp.availablePermits()==1
Accessing: 15
semp.availablePermits()==1
Accessing: 17
semp.availablePermits()==1
Accessing: 19
semp.availablePermits()==1
semp.availablePermits()==2
semp.availablePermits()==3
semp.availablePermits()==4
semp.availablePermits()==5
参考：https://www.cnblogs.com/jamaler/p/12603081.html
