Java信號量全解析

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前言：

Semaphore（信號量） 是一個線程同步結構，用於在線程間傳遞信號，以避免出現信號丟失（譯者註：下文會具體介紹），或者像鎖一樣用於保護一個關鍵區域。自從5.0開始，jdk在java.util.concurrent包裡提供瞭Semaphore 的官方實現，因此大傢不需要自己去實現Semaphore。但是還是很有必要去熟悉如何使用Semaphore及其背後的原理

內容主題：

一、簡單的Semaphore實現

下面是一個信號量的簡單實現：

public class Semaphore {
private boolean signal = false;
public synchronized void take() {
this.signal = true;
this.notify();1011}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(!this.signal) wait();
this.signal = false;
}
}

Take方法發出一個被存放在Semaphore內部的信號，而Release方法則等待一個信號，當其接收到信號後，標記位signal被清空，然後該方法終止。

使用這個semaphore可以避免錯失某些信號通知。用take方法來代替notify，release方法來代替wait。如果某線程在調用release等待之前調用take方法，那麼調用release方法的線程仍然知道take方法已經被某個線程調用過瞭，因為該Semaphore內部保存瞭take方法發出的信號。而wait和notify方法就沒有這樣的功能。

當用semaphore來產生信號時，take和release這兩個方法名看起來有點奇怪。這兩個名字來源於後面把semaphore當做鎖的例子，後面會詳細介紹這個例子，在該例子中，take和release這兩個名字會變得很合理。

二、使用Semaphore來產生信號

下面的例子中，兩個線程通過Semaphore發出的信號來通知對方

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、可計數的Semaphore

上面提到的Semaphore的簡單實現並沒有計算通過調用take方法所產生信號的數量。可以把它改造成具有計數功能的Semaphore。下面是一個可計數的Semaphore的簡單實現。

public class CountingSemaphore {
private int signals = 0;
public synchronized void take() {
this.signals++;0809this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(this.signals == 0) wait();
this.signals--;
}
}

四、有上限的Semaphore

上面的CountingSemaphore並沒有限制信號的數量。下面的代碼將CountingSemaphore改造成一個信號數量有上限的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，當已經產生的信號數量達到瞭上限，take方法將阻塞新的信號產生請求，直到某個線程調用release方法後，被阻塞於take方法的線程才能傳遞自己的信號。

五、把Semaphore當鎖來使用

當信號量的數量上限是1時，Semaphore可以被當做鎖來使用。通過take和release方法來保護關鍵區域。請看下面的例子：

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

在前面的例子中，Semaphore被用來在多個線程之間傳遞信號，這種情況下，take和release分別被不同的線程調用。但是在鎖這個例子中，take和release方法將被同一線程調用，因為隻允許一個線程來獲取信號（允許進入關鍵區域的信號），其它調用take方法獲取信號的線程將被阻塞，知道第一個調用take方法的線程調用release方法來釋放信號。對release方法的調用永遠不會被阻塞，這是因為任何一個線程都是先調用take方法，然後再調用release。

通過有上限的Semaphore可以限制進入某代碼塊的線程數量。設想一下，在上面的例子中，如果BoundedSemaphore 上限設為5將會發生什麼？意味著允許5個線程同時訪問關鍵區域，但是你必須保證，這個5個線程不會互相沖突。否則你的應用程序將不能正常運行。

必須註意，release方法應當在finally塊中被執行。這樣可以保在關鍵區域的代碼拋出異常的情況下，信號也一定會被釋放。

以上就是Java信號量全解析的詳細內容，更多關於Java信號量的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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