Semaphore(信号量)

一个计数信号量。从概念上来说,一个Semaphore维护了一组permits【许可证】。每次调用acquire()方法都会阻塞,直到获取到许可证。每次调用release()方法都会添加一个许可证,也就是释放一个被阻塞的获取者。但是实际上并不存在这个许可证,Semaphore仅仅是记录可用资源的数量,并且做出对应的行为(有资源就获取,没有资源就阻塞)。

Semaphore通常用于限制访问资源(物理或逻辑资源)的线程的数量。


例如:下面这个类就是使用 Semaphore 限制对 items 池的访问。

public class Pool {
   private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
   private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

   public Object getItem() throws InterruptedException {
     available.acquire();
     return getNextAvailableItem();
   }

   public void putItem(Object x) {
     if (markAsUnused(x))
       available.release();
   }

   // Not a particularly efficient data structure; just for demo

   protected Object[] items = ... 被管理的item的类型
   protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

   protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
     for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
       if (!used[i]) {
          used[i] = true;
          return items[i];
       }
     }
     return null; // not reached
   }

   protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
     for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
       if (item == items[i]) {
          if (used[i]) {
            used[i] = false;
            return true;
          } else
            return false;
       }
     }
     return false;
   }
 }

每个线程在获取一个item之前必须从 Semaphore 中获取到一个许可证,用于保证 item 是可以被使用的。当一个线程使用完该item之后,该 item 必须被归还到 item 池中,并且该许可证也必须被归还到Semaphore中,从而允许其他的线程去获取该item。注意:在调用acquire()方法时不会持有同步锁,因为其他线程将 item 归还到池中时会被阻塞。
Semaphore 封装了限制对池访问所需的同步,与维护池本身的一致性所需的同步分开(也就是将限制对池的访问对池中数据的操作所需要的锁分开)。


一个初始化为 1 的 Semaphore,它只有一个可用的许可证,可以用作互斥锁。这种情况的 Semaphore 通常被称为binary semaphore【二进制信号量】,因为它只有两种状态:一个可用的许可证,或者0个可用的许可证。当使用二进制信号量时,"锁"可以由拥有者以外的线程释放(因为 Semaphore 没有所有权的概念),这点与许多锁不同。 这在某些特定上下文中很有用,比如死锁的恢复。


该类的构造函数可选地接受 fairness【公平】参数。

  • 当设置为 false 时,该类不能保证线程获得许可证的顺序。事实上,barging【倒挂】是被允许的,也就是说,一个正在执行acquire()的线程可以在一个已经在等待的线程之前分配一个许可证——从逻辑上讲,新线程将自己放在等待线程队列的最前面。
  • 当设置为true时,该 semaphore 保证所有调用acquire()方法的线程获得许可证的顺序就是其对该方法的调用顺序(first-in-first-out; FIFO)。注意:FIFO的顺序是指是依据到达方法内部的执行点的时间,并不是方法执行的时间。因此,一个线程可能在另一个线程之前调用acquire(),但是到达目标点却在另一个线程之后,类似于方法返回。还要注意:不定时的tryAcquire()方法不会遵循 fairness 的设置,但是会任意选取可用的许可证。

通常,用于控制资源访问的 Semphore 应该将 fairness 初始化为 true,以确保没有线程因为长时间获取不到许可证而饿死。
当将 Semphore 用于其他类型的同步控制时,非公平排序的吞吐量的优势常常超过了公平性排序。


这个类还提供了一次获取和释放多个许可证的方法。当使用这些方法而不将 fairness 设置为 true 时,要注意无限期等待的风险。
内存一致性效应:一个线程调用"release"方法(如release())发生在其他线程调用"acquire"方法之前。

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