Semaphore，現(xiàn)在普遍翻譯為“信號(hào)量”，以前也曾被翻譯成“信號(hào)燈”，因?yàn)轭愃片F(xiàn)實(shí)生活里的紅綠燈，車輛能不能通行，要看是不是綠燈。同樣，在編程世界里，線程能不能執(zhí)行，也要看信號(hào)量是不是允許。

信號(hào)量是由大名鼎鼎的計(jì)算機(jī)科學(xué)家迪杰斯特拉（Dijkstra）于 1965 年提出，在這之后的 15 年，信號(hào)量一直都是并發(fā)編程領(lǐng)域的終結(jié)者，直到 1980 年管程被提出來，我們才有了第二選擇。目前幾乎所有支持并發(fā)編程的語言都支持信號(hào)量機(jī)制，所以學(xué)好信號(hào)量還是很有必要的。

下面我們首先介紹信號(hào)量模型，之后介紹如何使用信號(hào)量，最后我們再用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)一個(gè)限流器。

信號(hào)量模型

信號(hào)量模型還是很簡單的，可以簡單概括為：一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)等待隊(duì)列，三個(gè)方法。在信號(hào)量模型里，計(jì)數(shù)器和等待隊(duì)列對外是透明的，所以只能通過信號(hào)量模型提供的三個(gè)方法來訪問它們，這三個(gè)方法分別是：init()、down() 和 up()。你可以結(jié)合下圖來形象化地理解。

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這三個(gè)方法詳細(xì)的語義具體如下所示。

init()：設(shè)置計(jì)數(shù)器的初始值。

down()：計(jì)數(shù)器的值減 1；如果此時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)器的值加 1；如果此時(shí)計(jì)數(shù)器的值小于或者等于 0，則喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程，并將其從等待隊(duì)列中移除。

這里提到的 init()、down() 和 up() 三個(gè)方法都是原子性的，并且這個(gè)原子性是由信號(hào)量模型的實(shí)現(xiàn)方保證的。在 Java SDK 里面，信號(hào)量模型是由 java.util.concurrent.Semaphore 實(shí)現(xiàn)的，Semaphore 這個(gè)類能夠保證這三個(gè)方法都是原子操作。如果你覺得上面的描述有點(diǎn)繞的話，可以參考下面這個(gè)代碼化的信號(hào)量模型。

class Semaphore{
  // 計(jì)數(shù)器
  int count;
  // 等待隊(duì)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(duì)列
      //阻塞當(dāng)前線程
    }
  }
  void up(){
    this.count++;
    if(this.count<=0) {
      //移除等待隊(duì)列中的某個(gè)線程T
      //喚醒線程T
    }
  }
}

如何使用信號(hào)量

其實(shí)很簡單，就像我們用互斥鎖一樣，只需要在進(jìn)入臨界區(qū)之前執(zhí)行一下 down() 操作，退出臨界區(qū)之前執(zhí)行一下 up() 操作就可以了。下面是 Java 代碼的示例，acquire() 就是信號(hào)量里的 down() 操作，release() 就是信號(hào)量里的 up() 操作。

static int count;
//初始化信號(hào)量
static final Semaphore s 
    = new Semaphore(1);
//用信號(hào)量保證互斥    
static void addOne() {
  s.acquire();
  try {
    count+=1;
  } finally {
    s.release();
  }
}

下面我們再來分析一下，信號(hào)量是如何保證互斥的。假設(shè)兩個(gè)線程 T1 和 T2 同時(shí)訪問 addOne() 方法，當(dāng)它們同時(shí)調(diào)用 acquire() 的時(shí)候，由于 acquire() 是一個(gè)原子操作，所以只能有一個(gè)線程（假設(shè) T1）把信號(hào)量里的計(jì)數(shù)器減為 0，另外一個(gè)線程（T2）則是將計(jì)數(shù)器減為 -1。對于線程 T1，信號(hào)量里面的計(jì)數(shù)器的值是 0，大于等于 0，所以線程 T1 會(huì)繼續(xù)執(zhí)行；對于線程 T2，信號(hào)量里面的計(jì)數(shù)器的值是 -1，小于 0，按照信號(hào)量模型里對 down() 操作的描述，線程 T2 將被阻塞。所以此時(shí)只有線程 T1 會(huì)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(shí)候，信號(hào)量里計(jì)數(shù)器的值是 -1，加 1 之后的值是 0，小于等于 0，按照信號(hào)量模型里對 up() 操作的描述，此時(shí)等待隊(duì)列中的 T2 將會(huì)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(huì)，從而保證了互斥性。

快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)限流器

其實(shí)前不久，我在工作中也遇到了一個(gè)對象池的需求。所謂對象池呢，指的是一次性創(chuàng)建出 N 個(gè)對象，之后所有的線程重復(fù)利用這 N 個(gè)對象，當(dāng)然對象在被釋放前，也是不允許其他線程使用的。對象池，可以用 List 保存實(shí)例對象，這個(gè)很簡單。但關(guān)鍵是限流器的設(shè)計(jì)，這里的限流，指的是不允許多于 N 個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)。那如何快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)這樣的限流器呢？這種場景，我立刻就想到了信號(hào)量的解決方案。

信號(hào)量的計(jì)數(shù)器，在上面的例子中，我們設(shè)置成了 1，這個(gè) 1 表示只允許一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)，但如果我們把計(jì)數(shù)器的值設(shè)置成對象池里對象的個(gè)數(shù) N，就能完美解決對象池的限流問題了。下面就是對象池的示例代碼。

class ObjPool<T, R> {
  final List<T> pool;
  // 用信號(hào)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();
});

我們用一個(gè) List來保存對象實(shí)例，用 Semaphore 實(shí)現(xiàn)限流器。關(guān)鍵的代碼是 ObjPool 里面的 exec() 方法，這個(gè)方法里面實(shí)現(xiàn)了限流的功能。在這個(gè)方法里面，我們首先調(diào)用 acquire() 方法（與之匹配的是在 finally 里面調(diào)用 release() 方法），假設(shè)對象池的大小是 10，信號(hào)量的計(jì)數(shù)器初始化為 10，那么前 10 個(gè)線程調(diào)用 acquire() 方法，都能繼續(xù)執(zhí)行，相當(dāng)于通過了信號(hào)燈，而其他線程則會(huì)阻塞在 acquire() 方法上。對于通過信號(hào)燈的線程，我們?yōu)槊總€(gè)線程分配了一個(gè)對象 t（這個(gè)分配工作是通過 pool.remove(0) 實(shí)現(xiàn)的），分配完之后會(huì)執(zhí)行一個(gè)回調(diào)函數(shù) func，而函數(shù)的參數(shù)正是前面分配的對象 t ；執(zhí)行完回調(diào)函數(shù)之后，它們就會(huì)釋放對象（這個(gè)釋放工作是通過 pool.add(t) 實(shí)現(xiàn)的），同時(shí)調(diào)用 release() 方法來更新信號(hào)量的計(jì)數(shù)器。如果此時(shí)信號(hào)量里計(jì)數(shù)器的值小于等于 0，那么說明有線程在等待，此時(shí)會(huì)自動(dòng)喚醒等待的線程。簡言之，使用信號(hào)量，我們可以輕松地實(shí)現(xiàn)一個(gè)限流器，使用起來還是非常簡單的。

總結(jié)

信號(hào)量在 Java 語言里面名氣并不算大，但是在其他語言里卻是很有知名度的。Java 在并發(fā)編程領(lǐng)域走的很快，重點(diǎn)支持的還是管程模型。 管程模型理論上解決了信號(hào)量模型的一些不足，主要體現(xiàn)在易用性和工程化方面，例如用信號(hào)量解決我們曾經(jīng)提到過的阻塞隊(duì)列問題，就比管程模型麻煩很多，你如果感興趣，可以課下了解和嘗試一下。