微信公众号：运维开发故事，作者：老郑
概述
Semaphore 信号量， 信号量维护了一组许可。如果有必要每个采集模块都会阻塞，直到有许可可用。然后获取许可证。每次发布都会添加一个许可证，可能会释放一个阻塞资源。但是，没有使用实际的许可对象；信号量可用数量的计数，并且进行操作。 信号量通常可以用于限制访问某些（物理或者逻辑）资源的线程数。例如下面是一个使用信号量控制对线程池访问。
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;
}
}
复制代码在获取项目之前，每个线程必须从信号量获取一个许可证，以确保项目可用。当线程处理完该项后，它将返回到池中，并向信号量返回一个许可证，允许另一个线程获取该项。请注意，在调用acquire时不会保持同步锁，因为这会阻止项目返回池。信号量封装了限制对池的访问所需的同步，与维护池本身一致性所需的任何同步分开。
初始化为1的信号量，其使用方式是最多只有一个可用的许可证，可以用作互斥锁。这通常被称为二进制信号量，因为它只有两个状态：一个许可证可用，或者零个许可证可用。以这种方式使用时，二进制信号量的属性（与许多java.util.concurrent.locks.Lock实现不同）是“锁”可以由所有者以外的线程释放（因为信号量没有所有权的概念）。这在某些特定的上下文中非常有用，例如死锁恢复。
此类的构造函数可以选择接受公平性参数。当设置为false时，此类不保证线程获取许可的顺序。特别是，允许bargging，也就是说，调用acquire的线程可以在一直在等待的线程之前分配一个许可证-从逻辑上讲，新线程将自己置于等待线程队列的头部。当公平性设置为true时，信号量保证选择调用任何acquire方法的线程，以按照其调用这些方法的处理顺序（先进先出；先进先出）。请注意，FIFO排序必然适用于这些方法中的特定内部执行点。因此，一个线程可以在另一个线程之前调用acquire，但在另一个线程之后到达排序点，类似地，从方法返回时也是如此。还请注意，untimed tryAcquire方法不支持公平性设置，但将接受任何可用的许可。
通常，用于控制资源访问的信号量应该初始化为公平，以确保没有线程因访问资源而耗尽。当将信号量用于其他类型的同步控制时，非公平排序的吞吐量优势往往超过公平性考虑。
此类还提供了方便的方法，可以一次获取和发布多个许可证。当使用这些方法时，如果没有将公平设置为真，则要小心无限期延迟的风险增加。
内存一致性影响：在调用“release”方法（如release（））之前的线程中的操作发生在另一个线程中成功的“acquire”方法（如acquire（）之后的操作）之前。
原理分析
Semaphore 信号量，是控制并发的有效手段。它底层通过 AQS 实现。如下图所示：
构造方法
Semaphore 构造方法有两个 Semaphore(int permits) 和 Semaphore(int permits, boolean fair) 后者有两个参数：第一个参数是许可数量初始化，第二个参数定义信号量是否公平锁同步（默认为非公平）。
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acquire 方法
acquire 方法可以为理解获取许可，如果存在剩余许可那么就可以进入后续代码块，如果没有获取线程进入阻塞。在共享模式下获取，如果中断将中止。通过首先检查中断状态，然后调用至少一次tryAcquireShared，并在成功时返回来实现。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用tryAcquireShared，直到成功或线程中断。
release 方法
acquire 方法可以为理解释放许可，其他等待许可的线程进入资源竞争阶段。然后去查找等待队列队头有效的等待节点进行唤醒。
整体流程
Semaphore 信号量原理.png
举个例子
场景描述
对于控制流量，或者控制并发我们可以使用 Semaphore 信号量来完成。例子：有100 个人需要过桥，但是桥上最多同时能够承受 5 个人的重量。如果我们需要有序的过桥那么就可以采用信号量的方式来控制。
-
初始化 5 个许可。
-
上桥之前先去获取 许可，如果有剩余许可就上桥。
-
如果没有 许可，就等待许可。
image.png
模拟代码
- 首先定义桥对象，入下所示：
public class Bridge {
private String name;
private String address;
private Integer max;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getAddress() {
return address;
}
public void setAddress(String address) {
this.address = address;
}
public Integer getMax() {
return max;
}
public void setMax(Integer max) {
this.max = max;
}
}
复制代码- 然后定义迁徙者对象，就是过桥的人，然后他有个动作就是过桥。代码如下所示。
public class Migrator {
private String name;
public void gapBridge() {
System.out.println("Migrator: " + this.name + ", time:" + System.currentTimeMillis());
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
复制代码- 调用代码如下：
public class MainTest {
public static void main(String[] args) {
Bridge bridge = new Bridge();
bridge.setAddress("云南");
bridge.setName("XX 桥");
bridge.setMax(5);
Semaphore semaphore = new Semaphore(bridge.getMax());
for (int i=0; i< 100; i++) {
int idx = i;
new Thread(()-> {
try {
Migrator migrator = new Migrator();
migrator.setName("name-" + idx);
semaphore.acquire();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
migrator.gapBridge();
System.out.println("name " + migrator.getName() + " 通过");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
}
}).start();
}
}
}
复制代码- 输出日志如下：我们可以看到刚开始的时候有 5 个线程获取到 "许可" 几乎同时过桥，后面逐渐就是释放一个许可，另外一个线程继续执行。
Migrator: name-7, time:1630495912011
name name-7 通过
Migrator: name-2, time:1630495912011
name name-2 通过
Migrator: name-4, time:1630495912011
Migrator: name-8, time:1630495912011
Migrator: name-3, time:1630495912011
name name-3 通过
name name-8 通过
name name-4 通过
Migrator: name-5, time:1630495913012
name name-5 通过
Migrator: name-0, time:1630495913012
name name-0 通过
Migrator: name-6, time:1630495913013
复制代码