并发王者课-铂金04（令行禁止-为何说信号量是线程间的同步利器） java

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。

文章图片

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：

文章图片

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：

文章图片

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：

Semaphore(int num)
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

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；
tryAcquire()：尝试获取许可，无论有没有可用的许可，都会立即返回；
release(): 释放许可；
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...
【并发王者课-铂金04（令行禁止-为何说信号量是线程间的同步利器）】正文到此结束，恭喜你又上了一颗星?
夫子的试炼