并发王者课-铂金4：令行禁止-为何说信号量是线程间的同步利器

欢迎来到《并发王者课》，本文是该系列文章中的第17篇。

在并发编程中，信号量是线程同步的重要工具。在本文中，我将带你认识信号量的概念、用法、种类以及Java中的信号量。

信号量（Semaphore） 是线程间的同步结构，主要用于多线程协作时的信号传递，以及对共享资源的保护、防止竞态的发生等。信号量这一概念听起来比较抽象，然而读完本文你会发现它竟然也是如此通俗易懂且挺有用。

一、认识简单的信号量

虽然信号量的概念很抽象，但理解起来可以很简单。比如下面这幅图，在峡谷对局中，大乔使用大招向哪吒发起了救援，而哪吒在接收到求救信号后前往救援。

在救援的过程中，信号无疑是关键的。如果把大乔和哪吒看作两个线程，那么他们在求救、救援过程中的信号就可以看作是信号量，用于线程间的同步和通信。

接下来，我们写一个简单的信号量，模拟还原刚才的求救和施救的过程。

定义一个求救的信号量，里面包含信号、信号发送和信号接收。

// 求救信号
public class ForHelpSemaphore {
    private boolean signal = false;

    public synchronized void sendSignal() {
        this.signal = true;
        this.notify();
        System.out.println("呼救信号已经发送！");
    }

    public synchronized void receiveSignal() throws InterruptedException {
        System.out.println("已经就绪，等待求救信号...");
        while (!this.signal) {
            wait();
        }
        this.signal = false;
        System.out.println("求救信号已经收到，正在前往救援！");
    }
}

再创建两个线程，分别代表大乔和哪吒。

 public static void main(String[] args) {
   ForHelpSemaphore helpSemaphore = new ForHelpSemaphore();

   Thread 大乔 = new Thread(helpSemaphore::sendSignal);
   Thread 哪吒 = new Thread(() -> {
     try {
       helpSemaphore.receiveSignal();
     } catch (InterruptedException e) {
       e.printStackTrace();
     }
   });

   大乔.start();
   哪吒.start();
 }

从运行结果中可以看到，他们通过信号量的机制完成了救援行动。

你看，最简单的信号量就是这样的简单。

二、理解宽泛意义上的的信号量

如果把上面大乔和哪吒救援的例子做个梳理的话，可以发展信号量中的一些关键信息：

• 共享的资源。比如signal字段是两个线程共享的，它是两个线程协同的基础；
• 多个线程访问相同的共享资源，并根据资源状态采取行动。比如大乔和哪吒都会读写signal字段，然后采取行动。

基于上面的两点理解，我们可以把信号量抽象为下面这张图所示：

从图中可以看到，多个线程共享一份资源列表，但是资源是有限的。所以，线程之间必然要按照一定的顺序有序地访问资源，并在访问结束后释放资源。没有获得资源的线程，只能等待其他线程释放资源后再次尝试获取。

多线程对共享资源的访问过程，也可以用下面这张流程图表示：

如果你能把这两幅图理解了，那么你也就把信号量的机制理解了。而一旦理解了机制，所谓的源码不过只是某种具体的实现。

三、认识不同类型的信号量

根据信号量的机制和应用场景，一般有下面几种不同类型的信号量。

1. 计数型信号量

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--;
  }
}

2. 边界型信号量

在计数型信号量中，信号的数量是没有限制的。换句话说，所有的线程都可以发送信号。与此不同的是，在边界型信号量中，通过bound字段增加了信号量的限制。

public class BoundedSemaphore {
  private int signal = 0;
  private int bound = 0;

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

3. 定时型信号量

定时型（timed）信号量指的是允许线程在指定的时间周期内才能执行任务。时间周期结束后，定时器将会重置，所有的许可也都会被回收。

4. 二进制型信号量

二进制信号量和计数型信号量类似，但许可的值只有0和1两种。实现二进制型信号量相对也是比较容易的，如果是1就是成功，否则是0就是失败。

四、Java中的信号量

在理解了信号量机制并且也理解它很有用之后，先不用着急实现它。在Java中，已经提供了相应的信号量工具类，即java.util.concurrent.Semaphore。并且，Java中的信号量实现已经比较全面，你不需要再重写它。

1. Semaphore的核心构造

Semaphore类有两个核心构造：

1. Semaphore(int num)
2. Semaphore(int num, boolean fair)

其中，num表示的是允许访问共享资源的线程数量，而布尔类型的fair则表示线程等待时是否需要考虑公平。

2. Semaphore的核心方法

1. acquire(): 获取许可，如果当前没有可用的许可，将进入阻塞等待状态；
2. tryAcquire()：尝试获取许可，无论有没有可用的许可，都会立即返回；
3. release(): 释放许可；
4. availablePermits():返回可用的许可数量。

五、如何通过信号量实现锁的能力

在上面的示例中，由于信号量可以用于保护多线程对共享资源的访问，所以直觉你可能会觉得它像一把锁，而事实上信号量确实可以用于实现锁的能力。

比如，借助于边界信号量，我们把线程访问的上线设置为1，那么此时将只有1个线程可以访问共享资源，而这不就是锁的能力嘛！

下面是通过信号量实现锁的一个示例：

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

我们把信号量中的信号数量上限设置为1，代码中的take()就相当于lock()，而release()则相当于unlock()。如此，信号量摇身一变就成了名副其实的锁。

小结

以上就是关于信号量的全部内容。在本文中，我们介绍了信号量的概念、运行机制、信号量的几种类型、Java中的信号量实现，以及如果通过信号量实现一把锁。

理解信号量的关键在于理解它的概念，也就是它所要解决的问题和它的方案。在理解概念和机制之后，再去看Java中的源码时，就会发现原来如此，又是队列...

正文到此结束，恭喜你又上了一颗星✨

夫子的试炼

• 基于对信号量的理解，尝试自己实现一个简单的信号量。

延伸阅读与参考资料

• Semaphores
• 《并发王者课》大纲与更新进度总览

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