Java多線程之Semaphore實(shí)現(xiàn)信號燈

更新時(shí)間：2021年10月28日 09:09:37 作者：冬日毛毛雨

這篇文章主要給大家分享的是Java多線程之Semaphore實(shí)現(xiàn)信號燈的練習(xí)，emaphore是計(jì)數(shù)信號量。Semaphore管理一系列許可證。每個(gè)acquire方法阻塞，直到有一個(gè)許可證可以獲得然后拿走一個(gè)許可證；下面一起進(jìn)入文章學(xué)習(xí)Semaphore的具體內(nèi)容

Semaphore是計(jì)數(shù)信號量。Semaphore管理一系列許可證。每個(gè)acquire方法阻塞，直到有一個(gè)許可證可以獲得然后拿走一個(gè)許可證；每個(gè)release方法增加一個(gè)許可證，這可能會(huì)釋放一個(gè)阻塞的acquire方法。然而，其實(shí)并沒有實(shí)際的許可證這個(gè)對象，Semaphore只是維持了一個(gè)可獲得許可證的數(shù)量。
Semaphore可以維護(hù)當(dāng)前訪問自身的線程個(gè)數(shù)，并提供了同步機(jī)制。使用Semaphore可以控制同時(shí)訪問資源的線程個(gè)數(shù)，例如，實(shí)現(xiàn)一個(gè)文件允許的并發(fā)訪問數(shù)。

1 Semaphore的主要方法

Semaphore(int permits):構(gòu)造方法，創(chuàng)建具有給定許可數(shù)的計(jì)數(shù)信號量并設(shè)置為非公平信號量。

Semaphore(int permits,boolean fair):構(gòu)造方法，當(dāng)fair等于true時(shí)，創(chuàng)建具有給定許可數(shù)的計(jì)數(shù)信號量并設(shè)置為公平信號量。

void acquire():當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取1個(gè)許可證。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了1個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)前線程被中斷，則會(huì)拋出InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void acquire(int n):從此信號量獲取給定數(shù)目許可，在提供這些許可前一直將線程阻塞。
當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取多個(gè)許可證。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了n個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)前線程被中斷，則會(huì)拋出InterruptedException異常，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void release():釋放一個(gè)許可，將其返回給信號量。

void release(int n):釋放n個(gè)許可。

int availablePermits()：當(dāng)前可用的許可數(shù)。
void acquierUninterruptibly():當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取1個(gè)許可證(不可中斷的)。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了1個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

void acquireUninterruptibly(permits):當(dāng)前線程嘗試去阻塞的獲取多個(gè)許可證。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了n個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

boolean tryAcquire()當(dāng)前線程嘗試去獲取1個(gè)許可證。

此過程是非阻塞的，它只是在方法調(diào)用時(shí)進(jìn)行一次嘗試。
如果當(dāng)前線程獲取了1個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
如果當(dāng)前線程沒有獲得這個(gè)許可證，也會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。

boolean tryAcquire(permits)：當(dāng)前線程嘗試去獲取多個(gè)許可證。

此過程是非阻塞的，它只是在方法調(diào)用時(shí)進(jìn)行一次嘗試。
如果當(dāng)前線程獲取了permits個(gè)可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
如果當(dāng)前線程沒有獲得permits個(gè)許可證，也會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。

boolean tryAcquire(timeout,TimeUnit)：當(dāng)前線程在限定時(shí)間內(nèi)，阻塞的嘗試去獲取1個(gè)許可證。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了可用的許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
當(dāng)前線程等待時(shí)間timeout超時(shí)，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。
當(dāng)前線程在timeout時(shí)間內(nèi)被中斷，則會(huì)拋出InterruptedException一次，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

boolean tryAcquire(permits,timeout,TimeUnit)：當(dāng)前線程在限定時(shí)間內(nèi)，阻塞的嘗試去獲取permits個(gè)許可證。

此過程是阻塞的，它會(huì)一直等待許可證，直到發(fā)生以下任意一件事：

當(dāng)前線程獲取了可用的permits個(gè)許可證，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回true。
當(dāng)前線程等待時(shí)間timeout超時(shí)，則會(huì)停止等待，繼續(xù)執(zhí)行，并返回false。
當(dāng)前線程在timeout時(shí)間內(nèi)被中斷，則會(huì)拋出InterruptedException一次，并停止等待，繼續(xù)執(zhí)行。

2 實(shí)例講解

public class SemaphoreTest {

    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();

        String[] name = {"Jack", "Pony", "Larry", "Martin", "James", "ZhangSan","Tree"};

        int[] age = {21,22,23,24,25,26,27};

        for(int i=0;i<7;i++)
        {
            Thread t1=new InformationThread(name[i],age[i]);
            executor.execute(t1);
        }
    }

    private static class InformationThread extends Thread {
        private final String name;
        private final int age;

        public InformationThread(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }


        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + ":大家好，我是" + name + "我今年" + age +
                        "當(dāng)前時(shí)間段為：" + System.currentTimeMillis());
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name + "要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：" + System.currentTimeMillis());
                System.out.println("當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：" + semaphore.availablePermits());
                System.out.println("是否有正在等待許可證的線程：" + semaphore.hasQueuedThreads());
                System.out.println("正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：" + semaphore.getQueueLength());
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }
}

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時(shí)間段為：1543498535306
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時(shí)間段為：1543498535306
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時(shí)間段為：1543498535306
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498536310
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498536310
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498536310
是否有正在等待許可證的線程：true
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：4
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：4
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時(shí)間段為：1543498536311
是否有正在等待許可證的線程：true
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時(shí)間段為：1543498536311
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時(shí)間段為：1543498536312
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498537315
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498537315
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：1
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時(shí)間段為：1543498537316
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498537317
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：1
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498538319
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：2
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0

以上是非公平信號量，將建立Semaphore對象的語句改為如下語句：

private static final Semaphore semaphore=new Semaphore(3,true);

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時(shí)間段為：1543498810563
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時(shí)間段為：1543498810564
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時(shí)間段為：1543498810563
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498811564
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：4
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時(shí)間段為：1543498811564
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498811568
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498811568
是否有正在等待許可證的線程：true
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：3
是否有正在等待許可證的線程：true
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時(shí)間段為：1543498811568
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時(shí)間段為：1543498811568
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498812566
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：1
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時(shí)間段為：1543498812566
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498812572
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498812572
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：1
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543498813568
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：2
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0

實(shí)現(xiàn)單例模式

將創(chuàng)建信號量對象語句修改如下：

private static final Semaphore semaphore=new Semaphore(1);

運(yùn)行程序，結(jié)果如下：

pool-1-thread-1:大家好，我是Jack我今年21當(dāng)前時(shí)間段為：1543499053898
Jack要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499054903
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：6
pool-1-thread-2:大家好，我是Pony我今年22當(dāng)前時(shí)間段為：1543499054904
Pony要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499055907
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：5
pool-1-thread-3:大家好，我是Larry我今年23當(dāng)前時(shí)間段為：1543499055907
Larry要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499056909
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：4
pool-1-thread-4:大家好，我是Martin我今年24當(dāng)前時(shí)間段為：1543499056909
Martin要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499057913
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：3
pool-1-thread-5:大家好，我是James我今年25當(dāng)前時(shí)間段為：1543499057913
James要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499058914
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：2
pool-1-thread-6:大家好，我是ZhangSan我今年26當(dāng)前時(shí)間段為：1543499058915
ZhangSan要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499059919
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：true
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：1
pool-1-thread-7:大家好，我是Tree我今年27當(dāng)前時(shí)間段為：1543499059919
Tree要準(zhǔn)備釋放許可證了，當(dāng)前時(shí)間為：1543499060923
當(dāng)前可使用的許可數(shù)為：0
是否有正在等待許可證的線程：false
正在等待許可證的隊(duì)列長度(線程數(shù)量)：0

如上可知，如果將給定許可數(shù)設(shè)置為1，就如同一個(gè)單例模式，即單個(gè)停車位，只有一輛車進(jìn)，然后這輛車出來后，下一輛車才能進(jìn)。

3 源碼解析

Semaphore有兩種模式，公平模式和非公平模式。公平模式就是調(diào)用acquire的順序就是獲取許可證的順序，遵循FIFO；而非公平模式是搶占式的，也就是有可能一個(gè)新的獲取線程恰好在一個(gè)許可證釋放時(shí)得到了這個(gè)許可證，而前面還有等待的線程。

構(gòu)造方法

Semaphore有兩個(gè)構(gòu)造方法，如下：

 public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

獲取許可

先從獲取一個(gè)許可看起，并且先看非公平模式下的實(shí)現(xiàn)。首先看acquire方法，acquire方法有幾個(gè)重載，但主要是下面這個(gè)方法

  public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
    }

從上面可以看到，調(diào)用了Sync的acquireSharedInterruptibly方法，該方法在父類AQS中，如下：

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) //如果線程被中斷了，拋出異常
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0) //獲取許可失敗，將線程加入到等待隊(duì)列中
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

AQS子類如果要使用共享模式的話，需要實(shí)現(xiàn)tryAcquireShared方法，下面看NonfairSync的該方法實(shí)現(xiàn)：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }

該方法調(diào)用了父類中的nonfairTyAcquireShared方法，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //獲取剩余許可數(shù)量
                int available = getState();
                //計(jì)算給完這次許可數(shù)量后的個(gè)數(shù)
                int remaining = available - acquires;
                //如果許可不夠或者可以將許可數(shù)量重置的話，返回
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

從上面可以看到，只有在許可不夠時(shí)返回值才會(huì)小于0，其余返回的都是剩余許可數(shù)量，這也就解釋了，一旦許可不夠，后面的線程將會(huì)阻塞?？赐炅朔枪降墨@取，再看下公平的獲取，

代碼如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //如果前面有線程再等待，直接返回-1
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                //后面與非公平一樣
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

從上面可以看到，FairSync與NonFairSync的區(qū)別就在于會(huì)首先判斷當(dāng)前隊(duì)列中有沒有線程在等待，如果有，就老老實(shí)實(shí)進(jìn)入到等待隊(duì)列；而不像NonfairSync一樣首先試一把，說不定就恰好獲得了一個(gè)許可，這樣就可以插隊(duì)了。
看完了獲取許可后，再看一下釋放許可。

釋放許可

釋放許可也有幾個(gè)重載方法，但都會(huì)調(diào)用下面這個(gè)帶參數(shù)的方法，

public void release(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.releaseShared(permits);
    }

releaseShared方法在AQS中，如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
        //如果改變許可數(shù)量成功
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

AQS子類實(shí)現(xiàn)共享模式的類需要實(shí)現(xiàn)tryReleaseShared類來判斷是否釋放成功，

實(shí)現(xiàn)如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                //獲取當(dāng)前許可數(shù)量
                int current = getState();
                //計(jì)算回收后的數(shù)量
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                //CAS改變許可數(shù)量成功，返回true
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

從上面可以看到，一旦CAS改變許可數(shù)量成功，那么就會(huì)調(diào)用doReleaseShared()方法釋放阻塞的線程。

減小許可數(shù)量

Semaphore還有減小許可數(shù)量的方法，該方法可以用于用于當(dāng)資源用完不能再用時(shí)，這時(shí)就可以減小許可證。代碼如下：

protected void reducePermits(int reduction) {
        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.reducePermits(reduction);
    }

可以看到，委托給了Sync，Sync的reducePermits方法如下：

  final void reducePermits(int reductions) {
            for (;;) {
                //得到當(dāng)前剩余許可數(shù)量
                int current = getState();
                //得到減完之后的許可數(shù)量
                int next = current - reductions;
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                //如果CAS改變成功
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }

從上面可以看到，就是CAS改變AQS中的state變量，因?yàn)樵撟兞看碓S可證的數(shù)量。

獲取剩余許可數(shù)量

Semaphore還可以一次將剩余的許可數(shù)量全部取走，該方法是drain方法，

如下：

public int drainPermits() {
        return sync.drainPermits();
    }

Sync的實(shí)現(xiàn)如下：

 final int drainPermits() {
            for (;;) {
                int current = getState();
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }

可以看到，就是CAS將許可數(shù)量置為0。

4、總結(jié)

Semaphore是信號量，用于管理一組資源。其內(nèi)部是基于AQS的共享模式，AQS的狀態(tài)表示許可證的數(shù)量，在許可證數(shù)量不夠時(shí)，線程將會(huì)被掛起；而一旦有一個(gè)線程釋放一個(gè)資源，那么就有可能重新喚醒等待隊(duì)列中的線程繼續(xù)執(zhí)行。

到此這篇關(guān)于Java多線程之Semaphore實(shí)現(xiàn)信號燈的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程 Semaphore實(shí)現(xiàn)信號燈內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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