信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，它本质上是一个“共享锁”。
Java并发提供了两种加锁模式：共享锁和独占锁。前面LZ介绍的ReentrantLock就是独占锁。对于独占锁而言，它每次只能有一个线程持有，而共享锁则不同，它允许多个线程并行持有锁，并发访问共享资源。
独占锁它所采用的是一种悲观的加锁策略， 对于写而言为了避免冲突独占是必须的，但是对于读就没有必要了，因为它不会影响数据的一致性。如果某个只读线程获取独占锁，则其他读线程都只能等待了，这种情况下就限制了不必要的并发性，降低了吞吐量。而共享锁则不同，它放宽了加锁的条件，采用了乐观锁机制，它是允许多个读线程同时访问同一个共享资源的。
Semaphore简介
Semaphore，在API中是这样介绍的，一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。
Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。下面LZ以理发为例来简述Semaphore。
为了简单起见，我们假设只有三个理发师、一个接待人。一开始来了五个客人，接待人则安排三个客人进行理发，其余两个人必须在那里等着，此后每个来理发店的人都必须等待。一段时间后，一个理发师完成理发后，接待人则安排另一个人（公平还是非公平机制呢？？）来理发。在这里理发师则相当于公共资源，接待人则相当于信号量（Semaphore），客户相当于线程。
进一步讲，我们确定信号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1；
当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。
Semaphore源码分析
Semaphore的结构如下：
从上面可以看出，Semaphore和ReentrantLock一样，都是包含公平锁（FairySync）和非公平锁（NonfairSync），两个锁都是继承Sync，而Sync也是继承自AQS。其构造函数如下：
/** * 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。 */ public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits); } /** * 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。 */ public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); }
信号量的获取：acquire()
在ReentrantLock中已经阐述过，公平锁和非公平锁获取锁机制的差别：对于公平锁而言，如果当前线程不在CLH队列的头部，则需要排队等候，而非公平锁则不同，它无论当前线程处于CLH队列的何处都会直接获取锁。所以公平信号量和非公平信号量的区别也一样。
public void acquire() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg); }
对于公平信号量和非公平信号量，他们机制的差异就体现在traAcquireShared()方法中：
公平锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { //判断该线程是否位于CLH队列的列头，如果是的话返回 -1,调用doAcquireSharedInterruptibly() if (hasQueuedPredecessors()) return -1; //获取当前的信号量许可 int available = getState(); //设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数” int remaining = available - acquires; //如果剩余信号量 > 0 ,则设置“可获取的信号量”为remaining if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }
tryAcquireShared是尝试获取 信号量，remaining表示下次可获取的信号量。
对于hasQueuedPredecessors、compareAndSetState在ReentrantLock中已经阐述了，hasQueuedPredecessors用于判断该线程是否位于CLH队列列头，compareAndSetState用于设置state的，它是进行原子操作的。代码如下：
public final boolean hasQueuedPredecessors() { Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order Node h = head; Node s; return h != t && ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread()); } protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update); }
doAcquireSharedInterruptibly源代码如下：
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { /* * 创建CLH队列的node节点，Node.SHARED表示该节点为共享锁 */ final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { for (;;) { //获取该节点的前继节点 final Node p = node.predecessor(); //当p为头节点时，基于公平锁机制，线程尝试获取锁 if (p == head) { //尝试获取锁 int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC failed = false; return; } } //判断当前线程是否需要阻塞，如果阻塞的话，则一直处于阻塞状态知道获取共享锁为止 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) throw new InterruptedException(); } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
doAcquireSharedInterruptibly主要是做两个工作；1、尝试获取共享锁，2、阻塞线程直到线程获取共享锁。
addWaiter(Node.SHARED)：创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED)；并将该节点添加到CLH队列末尾。
shouldParkAfterFailedAcquire：如果在尝试获取锁失败之后，线程应该等待，返回true；否则返回false。
parkAndCheckInterrupt：当前线程会进入等待状态，直到获取到共享锁才继续运行。
对于addWaiter、shouldParkAfterFailedAcquire、parkAndCheckInterruptLZ在“【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：ReentrantLock之二lock方法分析”中详细介绍了。
非公平锁
对于非公平锁就简单多了，她没有那些所谓的要判断是不是CLH队列的列头，如下：
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { int available = getState(); int remaining = available - acquires; if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }
在非公平锁中，tryAcquireShared直接调用AQS的nonfairTryAcquireShared()。通过上面的代码我可看到非公平锁并没有通过if (hasQueuedPredecessors())这样的条件来判断该节点是否为CLH队列的头节点，而是直接判断信号量。
信号量的释放：release()
信号量Semaphore的释放和获取不同，它没有分公平锁和非公平锁。如下：
public void release() { sync.releaseShared(1); } public final boolean releaseShared(int arg) { //尝试释放共享锁 if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false; }
release()释放线索所占有的共享锁，它首先通过tryReleaseShared尝试释放共享锁，如果成功直接返回，如果失败则调用doReleaseShared来释放共享锁。
tryReleaseShared：
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { int current = getState(); //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数 int next = current + releases; if (next < current) // overflow throw new Error("Maximum permit count exceeded"); //设置可获取的信号许可数为next if (compareAndSetState(current, next)) return true; } }
doReleaseShared：
private void doReleaseShared() { for (;;) { //node 头节点 Node h = head; //h != null,且h != 尾节点 if (h != null && h != tail) { //获取h节点对应线程的状态 int ws = h.waitStatus; //若h节点状态为SIGNAL，表示h节点的下一个节点需要被唤醒 if (ws == Node.SIGNAL) { //设置h节点状态 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; //唤醒h节点对应的下一个节点 unparkSuccessor(h); } //若h节点对应的状态== 0 ，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; } //h == head时，则退出循环，若h节点发生改变时则循环继续 if (h == head) break; } }
在这里有关的方法，请参考：【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：ReentrantLock之三unlock方法分析。
实例
该实例来源于《java7并发编程实战手册》
打印任务：
public class PrintQueue { private final Semaphore semaphore; //声明信号量 public PrintQueue(){ semaphore = new Semaphore(1); } public void printJob(Object document){ try { semaphore.acquire();//调用acquire获取信号量 long duration = (long) (Math.random() * 10); System.out.println( Thread.currentThread().getName() + "PrintQueue : Printing a job during " + duration); Thread.sleep(duration); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally{ semaphore.release(); //释放信号量 } } }
Job:
public class Job implements Runnable{ private PrintQueue printQueue; public Job(PrintQueue printQueue){ this.printQueue = printQueue; } @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Going to print a job"); printQueue.printJob(new Object()); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " the document has bean printed"); } }
Test：
public class Test { public static void main(String[] args) { Thread[] threads = new Thread[10]; PrintQueue printQueue = new PrintQueue(); for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){ threads[i] = new Thread(new Job(printQueue),"Thread_" + i); } for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){ threads[i].start(); } } }
运行结果：
Thread_0 Going to print a job Thread_0PrintQueue : Printing a job during 1 Thread_4 Going to print a job Thread_1 Going to print a job Thread_2 Going to print a job Thread_3 Going to print a job Thread_0 the document has bean printed Thread_4PrintQueue : Printing a job during 7 Thread_4 the document has bean printed Thread_1PrintQueue : Printing a job during 1 Thread_2PrintQueue : Printing a job during 3 Thread_1 the document has bean printed Thread_2 the document has bean printed Thread_3PrintQueue : Printing a job during 1 Thread_3 the document has bean printed
参考资料
