Java 同步和协作工具类（二）：信号量 Semaphore

1. 信号量类 Semaphore 的作用是

• 限制对资源的并发访问数

2. 信号量类 Semaphore 的使用场景是

• 现实中，资源往往有多个，但每个同时只能被一个线程访问。比如，饭店的饭桌、火车上的卫生间
• 有的单个资源即使可以被并发访问，但并发访问次数多了可能影响性能，所以希望限制并发访问的线程数
• 还有，与软件的授权和计费有关，对不同等级的账户，限制不同的最大并发访问数

3. Semaphore 的构造方法

• public Semaphore(int permits)/public Seamphore(int permits, boolean fair)
• fair 表示公平；permits 表示许可数量

4. Semaphore 的主要方法有

• public void acquire() throws InterruptedException：阻塞获取许可
• public void acquireUninterruptibly()：阻塞获取许可，不响应中断
• public void acquire(int permits) throws InterruptedException：批量获取多个许可
• public void acquireUninterruptibly(int permits)：批量获取多个，不响应中断
• public boolean tryAcquire()：尝试获取
• public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：限定等待时间获取
• public void release()：释放许可

5. 写一个信号量类 Semaphore 的 Demo

public class AccessControlService {
    private static final int MAX_PERMITS = 100;
    private Semaphore permits = new Semaphore(MAX_PERMITS, true);
    
    public static class ConcurrentLimitException extends RuntimeException {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
    }
    
    public boolean login(String name, String password) {
        if(!permits.tryAcquire()) {
            //同时登录用户数超过限制
            throw new ConcurrentLimitException();
        }
        //……其他验证
        return true;
    }
    
    public void logout(String name) {
        permits.release();
    }
}

6. 如果设置 permits 的数量为 1，那 Semaphore 和一般的锁的区别是

• 一般锁只能由持有锁的线程释放，而 Semaphore 表示的只是一个许可数，任意线程都可以调用其 release() 方法

• 主要的锁实现类 ReentrantLock 是可重入的；而 Semaphore 不是可重入的，每一次的 acquire() 调用都会消耗一个许可

• 举例，下面程序会阻塞在第二个 acquire() 调用，永远都不会输出 acquire

  Semaphore permits = new Semaphore(1);
  permits.acquire();
  permits.acquire();
  System.out.println("acquired");

7. 信号量 Semaphore 的基本原理

• 原理比较简单，也是基于 AQS 实现的
• AQS：并发工具 ReentrantReadWriteLock、Semaphore、CountDownLatch，它们的实现有很多类似的地方。为了复用代码，Java 提供了一个抽象类 AbstractQueuedSynchronizer，简称 AQS，简化了并发工具的实现
• permits 表示共享的锁个数
• acquire() 方法就是检查锁个数是否大于 0，大于则减一，获取成功，否则就等待
• release() 方法就是将锁个数加一，唤醒第一个等待的线程