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Java中信号量 Semaphore

17430 理论 | 2014-8-27

Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源(物理或逻辑的)的线程数目。

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。


下面的类使用信号量控制对内容池的访问:

import java.util.concurrent.Semaphore;
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(); // 从此信号量获取一个许可,在提供一个许可前一直将线程阻塞,否则线程被中断
		return getNextAvailableItem();
	}
	public void putItem(Object x) {
		if (markAsUnused(x))
			available.release(); // 释放一个许可,将其返回给信号量
	}
	// 仅作示例参考,非真实数据
	protected Object[] items = null;
	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;
	}
	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;
	}
}


虽然JDK已经提供了相关实现,但是还是很有必要去熟悉如何使用Semaphore及其背后的原理。


做一个简单的Semaphore实现

class SemaphoreTest {
	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;
	}
}

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。


可计数的Semaphore

class SemaphoreTest {
	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--;
	}
}


Semaphore上限

class SemaphoreTest {
	private int signals = 0;
	private int bound = 0;
	public SemaphoreTest(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();
	}
}

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。


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。

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