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。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。
1Semaphore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。
2Semaphore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。
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;
}
}
3实例
public static void main(String[] args) {
// 线程池
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 只能5个线程同时访问
final Semaphore semp = new Semaphore(5,true);
// 模拟20个客户端访问
for (int x = 0; x < 20; x++) {
int finalX = x;
exec.execute(new Thread(()->{
try {
// 获取许可
semp.acquire();
System.out.println("该编号得到服务：" + finalX);
Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
// 访问完后，释放
System.out.println("该编号释放服务：" + finalX);
semp.release();
//availablePermits()指的是当前信号灯库中有多少个可以被使用
System.out.println("-----------------当前可用窗口数量：" + semp.availablePermits());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}));
}
// 退出线程池
exec.shutdown();
}打印结果：
该编号得到服务：1 该编号得到服务：0 该编号得到服务：2 该编号得到服务：3 该编号得到服务：5 该编号释放服务：1 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：6 该编号释放服务：6 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：7 该编号释放服务：7 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：4 该编号释放服务：0 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：8 该编号释放服务：2 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：9 该编号释放服务：3 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：10 该编号释放服务：5 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：11 该编号释放服务：10 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：12 该编号释放服务：12 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：13 该编号释放服务：8 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：14 该编号释放服务：4 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：15 该编号释放服务：13 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：16 该编号释放服务：11 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：17 该编号释放服务：15 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：18 该编号释放服务：14 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号得到服务：19 该编号释放服务：9 -----------------当前可用窗口数量：1 该编号释放服务：18 -----------------当前可用窗口数量：2 该编号释放服务：16 -----------------当前可用窗口数量：3 该编号释放服务：19 -----------------当前可用窗口数量：4 该编号释放服务：17 -----------------当前可用窗口数量：5 参考资料
1、Java多线程系列–“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例
京公网安备 11010502036488号