信號量Semaphore一篇文章叫你明白

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已經習慣了阿里面試官的冷笑:用過Semaphore吧,不妨說說?

本質就是 信號量模型,模型圖如下:

其中的 計數器 和 等待隊列 對外部是透明的,僅能通過提供的三大方法訪問它們。
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詳細說說哪三大方法?

init()

用於設置計數器的初始值。

down()

計數器-1。若此時計數器<0,則當前線程被 阻塞。

up()

計數器+1。若此時計數器≤0,則喚醒 等待隊列 中的一個線程,並將其從【等待隊列】移除。有同學可能會認爲這裏的判斷條件應該≥0,估計你是理解成生產者-消費者模式中的生產者了。可以反過來想,>0 意味着沒有阻塞的線程,所以只有 ≤0 時才需要喚醒一個等待的線程。

down()、up()應配對使用,並按序使用:

先調用down(),獲取鎖
執行處理完後,調用up(),釋放鎖
若信號量init值爲1,併發場景下應該不會出現>0情況,除非故意調先用up(),但這也失去了信號量的意義。

注意,這些方法都是原子性的,由信號量模型的實現方保證。JDK裏的信號量模型就是由Semaphore實現,Semaphore保證了這三個方法都是原子操作。

talk is cheap,show me code?

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信號量模型中的down()、up()最早被稱爲P操作和V操作,信號量模型也稱PV原語。還有的人會用semWait()和semSignal()表達它們,叫法不同,語義都相同。JUC的acquire()、release()分別對應down()和up()。

如何使用信號量?

就像信號燈,必須先檢查是否爲綠燈才能通過。比如累加器,count+=1操作是個臨界區,只允許一個線程執行,也就是說要保證互斥。
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假設線程t1、t2同時訪問add(),當同時調用acquire時,由於acquire是個原子操作,僅會有一個線程(假設t1)把信號量裏的計數器減爲0,t2則是將計數器減爲-1:

對t1,信號量裏面的計數器的值是0,≥0,所以t1不會被阻塞,而是繼續執行
對t2,信號量裏面的計數器的值是-1,<0,所以t2被阻塞
所以此時只有t1會進入臨界區執行count+=1。

當t1執行release(),信號量裏計數器的值是-1,加1之後的值是0,≤0,根據up(),此時等待隊列中的t2會被喚醒。於是t2在t1執行完臨界區代碼後,才獲得進入臨界區執行的機會,這就保證了互斥。

既然有JDK提供了Lock,爲啥還要提供一個Semaphore ?

實現互斥鎖,僅是 Semaphore的部分功能,Semaphore還可以允許多個線程訪問一個臨界區。

最常見的就是各種池化資源,比如數據庫連接池,同一時刻,允許多個線程同時使用連接池。每個連接在被釋放前,不允許其他線程使用。

對象池要求一次性創建出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。所以核心就是限流器,這裏的限流指不允許多於N個線程同時進入臨界區。

如何快速實現一個這樣的限流器呢?

那就是信號量。把計數器的值設置成對象池裏對象的個數N即可:
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注意這裏使用的是 Vector,進入臨界區的N個線程不安全。add/remove都是不安全的。比如 ArrayList remove() :
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好的,請回家等通知吧!

本文地址:https://www.linuxprobe.com/semaphore-down.html

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