Semaphore(信號量)

信號量可以簡單的概括為：一個計數(shù)器，一個等待隊列，三個方法。在信號量模型里，計數(shù)器和等待隊列對外是透明的，所以只能通過信號量模型提供的三個方法來訪問它們，這三個方法分別是：init()、down()和up()。

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這三個方法詳細(xì)的語義具體如下所示：

• init()：設(shè)置計數(shù)器的初始值。
• down()：計數(shù)器的值減1；如果此時計數(shù)器的值小于0，則當(dāng)前線程將被阻塞，否則當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行。
• up()：計數(shù)器的值加1；如果此時計數(shù)器的值小于或者等于0，則喚醒等待隊列中的一個線程，并將其從等待隊列中移除。

在Java SDK里面，信號量模型是由java.util.concurrent.Semaphore實(shí)現(xiàn)的，Semaphore這個類能夠保證這三個方法都是原子操作。

class Semaphore{
  // 計數(shù)器
  int count;
  // 等待隊列
  Queue queue;
  // 初始化操作
  Semaphore(int c){
    this.count=c;
  }
  // 
  void down(){
    this.count--;
    if(this.count<0){
      //將當(dāng)前線程插入等待隊列
      //阻塞當(dāng)前線程
    }
  }
  void up(){
    this.count++;
    if(this.count<=0) {
      //移除等待隊列中的某個線程T
      //喚醒線程T
    }
  }
}

down()、up()這兩個操作歷史上最早稱為P操作和V操作，所以信號量模型也被稱為PV原語。在Java SDK并發(fā)包里，down()和up()對應(yīng)的則是acquire()和release()。

信號量是如何保證互斥的?

• 假設(shè)兩個線程T1和T2同時訪問addOne()方法，當(dāng)它們同時調(diào)用acquire()的時候，由于acquire()是一個原子操作，所以只能有一個線程（假設(shè)T1）把信號量里的計數(shù)器減為0，另外一個線程（T2）則是將計數(shù)器減為-1。對于線程T1，信號量里面的計數(shù)器的值是0，大于等于0，所以線程T1會繼續(xù)執(zhí)行；對于線程T2，信號量里面的計數(shù)器的值是-1，小于0，按照信號量模型里對down()操作的描述，線程T2將被阻塞。所以此時只有線程T1會進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行count+=1；。
• 當(dāng)線程T1執(zhí)行release()操作，也就是up()操作的時候，信號量里計數(shù)器的值是-1，加1之后的值是0，小于等于0，按照信號量模型里對up()操作的描述，此時等待隊列中的T2將會被喚醒。于是T2在T1執(zhí)行完臨界區(qū)代碼之后才獲得了進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行的機(jī)會，從而保證了互斥性。

快速實(shí)現(xiàn)一個限流器

Semaphore除了能像lock一樣實(shí)現(xiàn)互斥鎖之外，還可以允許多個線程訪問同一個臨界區(qū)。（這個功能是lock不容易實(shí)現(xiàn)的）

eg:如連接池、對象池、線程池等等。數(shù)據(jù)庫連接池，在同一時刻，一定是允許多個線程同時使用連接池的，當(dāng)然，每個連接在被釋放前，是不允許其他線程使用的。

下面是一個常量池的一個實(shí)現(xiàn)代碼：

class ObjPool<T, R> {
  final List<T> pool;
  // 用信號量實(shí)現(xiàn)限流器
  final Semaphore sem;
  // 構(gòu)造函數(shù)
  ObjPool(int size, T t){
    pool = new Vector<T>(){};
    for(int i=0; i<size; i++){
      pool.add(t);
    }
    sem = new Semaphore(size);
  }
  // 利用對象池的對象，調(diào)用func
  R exec(Function<T,R> func) {
    T t = null;
    sem.acquire();
    try {
      t = pool.remove(0);
      return func.apply(t);
    } finally {
      pool.add(t);
      sem.release();
    }
  }
}
// 創(chuàng)建對象池
ObjPool<Long, String> pool = 
  new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通過對象池獲取t，之后執(zhí)行  
pool.exec(t -> {
    System.out.println(t);
    return t.toString();
});

總結(jié)一下：Semaphore就像旋轉(zhuǎn)壽司店，共有10個座位，當(dāng)座位有空余時，等待的人就可以坐上去。如果有只有2個空位，來的是一家3口，那就只有等待。如果來的是一對情侶，就可以直接坐上去吃。當(dāng)然如果同時空出5個空位，那一家3口和一對情侶可以同時上去吃。CountDownLatch就像大型商場里面的臨時游樂場，每一場游樂的時間過后等待的人同時進(jìn)場玩，而一場中間會有不愛玩了的人隨時出來，但不能進(jìn)入，一旦所有進(jìn)入的人都出來了，新一批人就可以同時進(jìn)場

他們與非共享最大的區(qū)別就在于是否能多個線程同時獲取鎖。

這里有semaphore和countDownlatch的一篇文章。