3. Semaphore使用事例

2.信号量介绍：

1.Java并发编程——信号量与互斥量

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3. Semaphore使用事例

前面说到过锁和synchronized, 现在说的同步机制信号量（Semaphore）是个什么概念呢。又有什么区别呢？
?Lock和synchronized是锁的互斥，一个线程如果锁定了一资源，那么其它线程只能等待资源的释放。也就是一次只有一个线程执行，这到这个线程执行完毕或者unlock。而Semaphore可以控制多个线程同时对某个资源的访问。

Semaphore实现的功能就类似厕所有5个坑，假如有10个人要上厕所，那么同时只能有多少个人去上厕所呢？同时只能有5个人能够占用，当5个人中 的任何一个人让开后，其中等待的另外5个人中又有一个人可以占用了。另外等待的5个人中可以是随机获得优先机会，也可以是按照先来后到的顺序获得机会，这取决于构造Semaphore对象时传入的参数选项。

当然单个信号量的Semaphore对象可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了“锁”，再由另一个线程释放“锁”，这可应用于死锁恢复的一些场合。
?信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。

也就是说Semaphore不一定是锁定某个资源，而是流程上的概念。比方说有A,B两个线程，B线程的操作可能要等A线程执行完毕之后才执行，这个任务 并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类，它们也许并不访问共享变量，只是逻辑上的先后顺序。
?java中计数信号量（Semaphore）维护着一个许可集。调用acquire()获取一个许可，release()释放一个许可。

在java中，还可以设置该信号量是否采用公平模式，如果以公平方式执行，则线程将会按到达的顺序（FIFO）执行，如果是非公平，则可以后请求的有可能排在队列的头部。Semaphore当前在多线程环境下被扩放使用，操作系统的信号量是个很重要的概念，在进程控制方面都有应用。Java并发库Semaphore 可以很轻松完成信号量控制，Semaphore可以控制某个资源可被同时访问的个数。

使用信号量解决死锁问题

task1得到obj1对象锁1
task1得到obj1对象锁1

可从结果就知道已经发生了死锁。
?信号量可以控制资源能被多少线程访问，这里我们指定只能被一个线程访问，就做到了类似锁住。

 而信号量可以指定去获取的超时时间，我们可以根据这个超时时间，去做一个额外处理。
?对于无法成功获取的情况，一般就是重复尝试，或指定尝试的次数，也可以马上退出。

public class BoundedHashSet<T> {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        BoundedHashSet<String> set = new  BoundedHashSet<>(2);
        set.add("1");
        set.add("2");
        set.remove("2");
        set.add("3");
        System.out.println(JSON.toJSONString(set));
    }
    
    private final Set<T> tempSet;
    private final Semaphore sem;
    public BoundedHashSet(int size) {
        this.tempSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<T>());
        sem = new Semaphore(size);
    }
    
    public boolean add(T o) throws Exception {
        sem.acquire();
        boolean isAdd = false;
        try{
            isAdd = tempSet.add(o);
            return isAdd;
        }
        finally {
            if (!isAdd) {
                sem.release();
            }
        }
    }
    
    public boolean remove(Object o) {
        boolean isRemoved = tempSet.remove(o);
        if (isRemoved) {
            sem.release();
        }
        return isRemoved;
    }
}

这里例子实现了有界阻塞的HashSet。只允许这个HashSet存放两个元素，如果想存第三个元素，必须等到有人把HashSet中的元素remove掉。

每次add之前先申请一个许可，如果能申请到，则正常添加元素。申请不到，则acquire()方法会一直阻塞。remove操作里面，则有一个释放许可的操作。

2.信号量介绍：

原文地址  By Jakob Jenkov  翻译：寒桐  校对：方腾飞

Semaphore（信号量） 是一个线程同步结构，用于在线程间传递信号，以避免出现信号丢失（译者注：下文会具体介绍），或者像锁一样用于保护一个关键区域。自从5.0开始，jdk在java.util.concurrent包里提供了Semaphore 的官方实现，因此大家不需要自己去实现Semaphore。但是还是很有必要去熟悉如何使用Semaphore及其背后的原理

本文的涉及的主题如下：

1. 简单的Semaphore实现
2. 使用Semaphore来发出信号
3. 可计数的Semaphore
4. 有上限的Semaphore
5. 把Semaphore当锁来使用

一、简单的Semaphore实现

下面是一个信号量的简单实现：

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方法发出一个被存放在Semaphore内部的信号，而Release方法则等待一个信号，当其接收到信号后，标记位signal被清空，然后该方法终止。

使用这个semaphore可以避免错失某些信号通知。用take方法来代替notify，release方法来代替wait。如果某线程在调用release等待之前调用take方法，那么调用release方法的线程仍然知道take方法已经被某个线程调用过了，因为该Semaphore内部保存了take方法发出的信号。而wait和notify方法就没有这样的功能。

当用semaphore来产生信号时，take和release这两个方法名看起来有点奇怪。这两个名字来源于后面把semaphore当做锁的例子，后面会详细介绍这个例子，在该例子中，take和release这两个名字会变得很合理。

二、使用Semaphore来产生信号

下面的例子中，两个线程通过Semaphore发出的信号来通知对方

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 signal
this.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、可计数的Semaphore

上面提到的Semaphore的简单实现并没有计算通过调用take方法所产生信号的数量。可以把它改造成具有计数功能的Semaphore。下面是一个可计数的Semaphore的简单实现。

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并没有限制信号的数量。下面的代码将CountingSemaphore改造成一个信号数量有上限的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，当已经产生的信号数量达到了上限，take方法将阻塞新的信号产生请求，直到某个线程调用release方法后，被阻塞于take方法的线程才能传递自己的信号。

五、把Semaphore当锁来使用

当信号量的数量上限是1时，Semaphore可以被当做锁来使用。通过take和release方法来保护关键区域。请看下面的例子：

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

在前面的例子中，Semaphore被用来在多个线程之间传递信号，这种情况下，take和release分别被不同的线程调用。但是在锁这个例子中，take和release方法将被同一线程调用，因为只允许一个线程来获取信号（允许进入关键区域的信号），其它调用take方法获取信号的线程将被阻塞，知道第一个调用take方法的线程调用release方法来释放信号。对release方法的调用永远不会被阻塞，这是因为任何一个线程都是先调用take方法，然后再调用release。

通过有上限的Semaphore可以限制进入某代码块的线程数量。设想一下，在上面的例子中，如果BoundedSemaphore 上限设为5将会发生什么？意味着允许5个线程同时访问关键区域，但是你必须保证，这个5个线程不会互相冲突。否则你的应用程序将不能正常运行。

必须注意，release方法应当在finally块中被执行。这样可以保在关键区域的代码抛出异常的情况下，信号也一定会被释放。

原创文章，转载请注明： 转载自并发编程网 – ifeve.com本文链接地址: 信号量

1.Java并发编程——信号量与互斥量

信号量用于线程同步，互斥量用户保护资源的互斥访问。

信号量与互斥量的区别

• 互斥量用于线程的互斥，信号线用于线程的同步。
• 互斥量值只能为0/1，信号量值可以为非负整数。信号量可以实现多个同类资源的多线程互斥和同步。
• 互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用，信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。

信号量Semaphore

信号量是在多线程环境中，线程间传递信号的一种方式。

简单的Semaphore实现

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 signal
            this.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...
        }
    }
}

可计数的Semaphore

上面提到的Semaphore的简单实现并没有计算通过调用take方法所产生信号的数量。可以把它改造成具有计数功能的Semaphore。

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，当已经产生的信号数量达到了上限，take方法将阻塞新的信号产生请求，直到某个线程调用release方法后，被阻塞于take方法的线程才能传递自己的信号。

Java内置的Semaphore

java.util.concurrent包中有Semaphore的实现，可以设置参数，控制同时访问的个数。
下面的Demo中申明了一个只有5个许可的Semaphore，而有20个线程要访问这个资源，通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

public class Mutex {
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock() {
    while(this.isLocked) //使用while可以避免线程 假唤醒
        wait();
    this.isLocked= true;
    }
}
public synchronized void unlock() throws InterruptedException{
    this.isLocked= false;
    this.notify();
    }
}

在Mutex中，我们添加了一个signal用于保存信号。

将互斥量当作锁来使用：

Mutex mutex = new Mutex();
mutex.lock();
...
//临界区
mutex.unlock();

互斥量的加锁和解锁必须由同一个线程分别对应使用。

参考

• 信号量-并发编程网
• 信号量与互斥量-博客园
• Java信号量-博客园