初識Semaphore
- “信號量”，也可以稱其爲“信號燈”，它的存在就如同生活中的紅綠燈一般，用來控制車輛的通行。在程序員眼中，線程就好比行駛的車輛，程序員就可以通過信號量去指定線程是否可以執行，並且可以指定訪問臨界區的線程數量；
信號量模型
- 信號量的模型很簡單，有：一個計數器，一個等待隊列，三個方法（init，down，up）。在該模型中，計數器與等待隊列對外是透明的，只能去通過三個方法區訪問。
三個方法詳解：
- init()：設置計數器的初始值（信號量是支持多個線程訪問一個臨界區的，所以可以通過設置計數器的初始值來控制線程訪問臨界資源的數量）
- down()：計數器減一操作；如果此時計數器的值小於0，則當前線程被阻塞，否則當前線程可以繼續執行。
- up()：計數器加一操作；如果此時計數器的值小於或者等於 0，則喚醒等待隊列中的一個線程，並將其從等待隊列中移除。
注意：這裏的三個方法均是原子操作。在Java SDK裏，信號量是由java.util.concurrent.Semaphore實現的，Semaphore可以保證方其都是原子操作。並且在Java SDK併發包中，down()和up()對應的是acquire()和release()方法。
參考下面代碼感受一下信號量模型：
class Semaphore{
// 計數器
int count;
// 等待隊列
Queue queue;
// 初始化操作
Semaphore(int c){
this.count=c;
}
//
void down(){
this.count--;
if(this.count<0){
// 將當前線程插入等待隊列
// 阻塞當前線程
}
}
void up(){
this.count++;
if(this.count<=0) {
// 移除等待隊列中的某個線程 T
// 喚醒線程 T
}
}
}
關於信號量的使用
1. 如何互斥操作
正如開篇介紹信號量可以控制線程的執行，相當於互斥鎖一樣，控制單一線程對臨界資源的訪問。而限號量正是通過計數器來實現互斥規則的。
如下代碼：
- 在進入臨界區之前執行down()方法，退出前執行up()方法皆就可以了。在實例代碼中acquire就相當於down方法，release相當於up方法；
static int count;
// 初始化信號量
static final Semaphore s
= new Semaphore(1);
// 用信號量保證互斥
static void addOne() {
s.acquire();
try {
count+=1;
} finally {
s.release();
}
}
信號量具體如何實現互斥？
- 比如現有兩個線程 t1與t2，而我們規定在初始化計數器時將計數器設置爲1，表明臨界區只允許一個線程去訪問。當兩個線程同時訪問addOne()方法時，兩個線程同時執行acquire()方法，由於acquire()是一個原子操作，當t1將計數器值減爲0，t2將計數器減爲-1。對於t1而言，信號量的計數器值爲0，滿足大於等於0條件，所以t1會繼續執行；對於t2而言，信號量裏邊的計數器爲-1，小於0，按照down()操作的描述，t2會被阻塞。因此只有t1線程進入臨界區執行count+=1操作。
- 當t1執行release()操作時，信號量裏邊的計數器會+1，此時爲0，小於等於0，因此會將處於等待隊列中的t2線程喚醒。於是t2在t1執行完臨界代碼之後進入到了臨界區。從而保證了互斥性。
1. Semaphore如何實現多個線程訪問一個臨界區
Semaphore有一個獨特的功能，就是可以允許多個線程訪問一個臨界區。這裏就通過“快速實現一個限流器”來說明；
- 對象池：指的是一次性創建出 N 個對象，之後所有的線程重複利用這 N 個對象，當然對象在被釋放前，也是不允許其他線程使用的。
- 這裏的限流就是指不允許多餘N個線程同時進入臨界區
解決方法：在上一個例子中我們將計數器初始化爲1，表示只允許一個線程進入臨界區，現在我們將計數器設置爲對象池中的對象個數N，表明在同一個時刻允許N個線程可以同時進入到臨界區，就可以解決限流問題了；
思考：信號量在在執行release()方法後如果滿足喚醒其他線程條件就會去喚醒一個線程繼續執行，這裏爲什麼不能去喚醒所有線程呢？
- 由於信號量沒有Condition概念，當阻塞線程被喚醒會直接運行，不會去檢查此時的臨界條件是否滿足，因此信號量只允許喚醒一個阻塞線程，否則就會出現缺少臨界條件檢查而帶來的線程安全問題。