简介
信号量 Semaphore 是一个控制访问多个共享资源的计数器，和 CountDownLatch 一样，其本质上是一个“共享锁”。
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。
复制代码但是，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。
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。
下面我们就一个停车场的简单例子来阐述 Semaphore ：
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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）。
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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（许可数 == 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。
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信号量 Semaphore 是一个非负整数（ >=1 ）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取 Semaphore。当 Semaphore > 0 时，获取该资源并使 Semaphore – 1 。如果S emaphore 值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore 则 +1 。
实现分析
java.util.concurrent.Semaphore 结构如下图：
从上图可以看出，Semaphore 内部包含公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync），继承内部类 Sync ，其中 Sync 继承 AQS（再一次阐述 AQS 的重要性）。
Semaphore 提供了两个构造函数：
Semaphore(int permits) ：创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore 。
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 。
复制代码实现如下：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
复制代码Semaphore 默认选择非公平锁。
当信号量 Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中 0、1 就相当于它的状态：
- 当 =1 时表示，其他线程可以获取；
- 当 =0 时，排他，即其他线程必须要等待。
Semaphore 的代码实现结构，和 ReentrantLock 类似。
信号量获取
Semaphore 提供了 #acquire() 方法，来获取一个许可。
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
复制代码内部调用 AQS 的 #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法，该方法以共享模式获取同步状态。代码如下：
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
复制代码在 #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法中，会调用 #tryAcquireShared(int arg) 方法。而 #tryAcquireShared(int arg) 方法，由子类来实现。对于 Semaphore 而言，如果我们选择非公平模式，则调用 NonfairSync 的#tryAcquireShared(int arg) 方法，否则调用 FairSync 的 #tryAcquireShared(int arg) 方法。若 #tryAcquireShared(int arg) 方法返回 < 0 时，则会阻塞等待，从而实现 Semaphore 信号量不足时的阻塞，代码如下：
// AQS.java
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
/**
* 对于 Semaphore 而言，如果 tryAcquireShared 返回小于 0 时，则会阻塞等待。
*/
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
复制代码另外，这也是为什么 Semaphore 在使用 AQS 时，state 代表的是，剩余可获取的许可数，而不是已经使用的许可数。我们假设 state 代表的是已经使用的许可数，那么 #tryAcquireShared(int arg) 返回的结果 = 原始许可数 - state ，这个操作在并发情况下，会存在线程不安全的问题。所以，state 代表的是，剩余可获取的许可数，而不是已经使用的许可数。
公平情况的 FairSync 的方法实现，代码如下：
// FairSync.java
@Override
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
//判断该线程是否位于CLH队列的列头，从而实现公平锁
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
//获取当前的信号量许可
int available = getState();
//设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
int remaining = available - acquires;
//CAS设置信号量
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
复制代码通过 #hasQueuedPredecessors() 方法，判断该线程是否位于 CLH 队列的列头，从而实现公平锁。 非公平情况的 NonfairSync 的方法实现，代码如下：
// NonfairSync.java
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
// Sync.java
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
复制代码对于非公平而言，因为它不需要判断当前线程是否位于 CLH 同步队列列头，所以相对而言会简单些。
信号量释放
获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore 提供 #release() 方法，来释放许可。代码如下：
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
复制代码内部调用 AQS 的 #releaseShared(int arg) 方法，释放同步状态。
// AQS.java
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
复制代码releaseShared(int arg) 方法，会调用 Semaphore 内部类 Sync 的 #tryReleaseShared(int arg) 方法，释放同步状态。
// Sync.java
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
//信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
//设置可获取的信号许可数为next
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
复制代码如该方法返回 true 时，代表释放同步状态成功，从而在 #releaseShared(int args) 方法中，调用 #doReleaseShared() 方法，可唤醒阻塞等待 Semaphore 的许可的线程。
应用示例
我们已停车为示例：
public 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();
}
}
}
复制代码运行结果如下：