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Semaphore（信號(hào)量） 是一個(gè)線程同步結(jié)構(gòu)，用于在線程間傳遞信號(hào)，以避免出現(xiàn)信號(hào)丟失（譯者注：下文會(huì)具體介紹），或者像鎖一樣用于保護(hù)一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。自從5.0開(kāi)始，jdk在java.util.concurrent包里提供了Semaphore的官方實(shí)現(xiàn)，因此大家不需要自己去實(shí)現(xiàn)Semaphore。但是還是很有必要去熟悉如何使用Semaphore及其背后的原理

本文的涉及的主題如下：

一、簡(jiǎn)單的Semaphore實(shí)現(xiàn)

下面是一個(gè)信號(hào)量的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：

public class Semaphore {private boolean signal = false;public synchronized void take() {this.signal = true;this.notify();}public synchronized void release() throws InterruptedException{while(!this.signal) wait();this.signal = false;}}

take方法發(fā)出一個(gè)被存放在Semaphore內(nèi)部的信號(hào)，而release方法則等待一個(gè)信號(hào)，當(dāng)其接收到信號(hào)后，標(biāo)記位signal被清空，然后該方法終止。

使用這個(gè)semaphore可以避免錯(cuò)失某些信號(hào)通知。用take方法來(lái)代替notify，release方法來(lái)代替wait。如果某線程在調(diào)用release等待之前調(diào)用take方法，那么調(diào)用release方法的線程仍然知道take方法已經(jīng)被某個(gè)線程調(diào)用過(guò)了，因?yàn)樵揝emaphore內(nèi)部保存了take方法發(fā)出的信號(hào)。而wait和notify方法就沒(méi)有這樣的功能。

當(dāng)用semaphore來(lái)產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，take和release這兩個(gè)方法名看起來(lái)有點(diǎn)奇怪。這兩個(gè)名字來(lái)源于后面把semaphore當(dāng)做鎖的例子，后面會(huì)詳細(xì)介紹這個(gè)例子，在該例子中，take和release這兩個(gè)名字會(huì)變得很合理。

二、使用Semaphore來(lái)產(chǎn)生信號(hào)

下面的例子中，兩個(gè)線程通過(guò)Semaphore發(fā)出的信號(hào)來(lái)通知對(duì)方

Semaphore semaphore = new Semaphore();SendingThread sender = new SendingThread(semaphore);ReceivingThread receiver = new ReceivingThread(semaphore);receiver.start(); sender.start(); public class SendingThread {Semaphore semaphore = null;public SendingThread(Semaphore semaphore){this.semaphore = semaphore;}public void run(){while(true){//do something, then signalthis.semaphore.take();}} } public class RecevingThread {Semaphore semaphore = null;public ReceivingThread(Semaphore semaphore){this.semaphore = semaphore;}public void run(){while(true){this.semaphore.release();//receive signal, then do something... }} }

三、可計(jì)數(shù)的Semaphore

上面提到的Semaphore的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有計(jì)算通過(guò)調(diào)用take方法所產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)量。可以把它改造成具有計(jì)數(shù)功能的Semaphore。下面是一個(gè)可計(jì)數(shù)的Semaphore的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。

public class CountingSemaphore {private int signals = 0;public synchronized void take() {this.signals++;this.notify();}public synchronized void release() throws InterruptedException{while(this.signals == 0) wait();this.signals--;}}

四、有上限的Semaphore

上面的CountingSemaphore并沒(méi)有限制信號(hào)的數(shù)量。下面的代碼將CountingSemaphore改造成一個(gè)信號(hào)數(shù)量有上限的BoundedSemaphore。

public class BoundedSemaphore {private int signals = 0;private int bound = 0;public BoundedSemaphore(int upperBound){this.bound = upperBound;}public synchronized void take() throws InterruptedException{while(this.signals == bound) wait();this.signals++;this.notify();}public synchronized void release() throws InterruptedException{while(this.signals == 0) wait();this.signals--;this.notify();} }

在BoundedSemaphore中，當(dāng)已經(jīng)產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)量達(dá)到了上限，take方法將阻塞新的信號(hào)產(chǎn)生請(qǐng)求，直到某個(gè)線程調(diào)用release方法后，被阻塞于take方法的線程才能傳遞自己的信號(hào)。

五、把Semaphore當(dāng)鎖來(lái)使用

當(dāng)信號(hào)量的數(shù)量上限是1時(shí)，Semaphore可以被當(dāng)做鎖來(lái)使用。通過(guò)take和release方法來(lái)保護(hù)關(guān)鍵區(qū)域。請(qǐng)看下面的例子：

BoundedSemaphore semaphore = new BoundedSemaphore(1);...semaphore.take();try{//critical section } finally {semaphore.release(); }

在前面的例子中，Semaphore被用來(lái)在多個(gè)線程之間傳遞信號(hào)，這種情況下，take和release分別被不同的線程調(diào)用。但是在鎖這個(gè)例子中，take和release方法將被同一線程調(diào)用，因?yàn)橹辉试S一個(gè)線程來(lái)獲取信號(hào)（允許進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)域的信號(hào)），其它調(diào)用take方法獲取信號(hào)的線程將被阻塞，知道第一個(gè)調(diào)用take方法的線程調(diào)用release方法來(lái)釋放信號(hào)。對(duì)release方法的調(diào)用永遠(yuǎn)不會(huì)被阻塞，這是因?yàn)槿魏我粋€(gè)線程都是先調(diào)用take方法，然后再調(diào)用release。

通過(guò)有上限的Semaphore可以限制進(jìn)入某代碼塊的線程數(shù)量。設(shè)想一下，在上面的例子中，如果BoundedSemaphore?上限設(shè)為5將會(huì)發(fā)生什么？意味著允許5個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)關(guān)鍵區(qū)域，但是你必須保證，這個(gè)5個(gè)線程不會(huì)互相沖突。否則你的應(yīng)用程序?qū)⒉荒苷＿\(yùn)行。

必須注意，release方法應(yīng)當(dāng)在finally塊中被執(zhí)行。這樣可以保在關(guān)鍵區(qū)域的代碼拋出異常的情況下，信號(hào)也一定會(huì)被釋放。

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總結(jié)

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