什么是Simaphore？有何作用？

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本篇收录于《计算机核心知识串讲》，属于该系列第二篇，后面持续更新中…………

写在之前

关于Simaphore第一次了解这个名词，很多书直接翻译为信号灯？信号量?，总是不太清楚表示何种意思，就比如Socket被翻译为套接字，百分之99的人第一眼不知道是个啥，如果直接翻译为"插座"，大家第一眼就知道是什么了。直到后面看到《并发编程艺术》对Simaphore讲解，颇为贴切，引用放在文首。

信号量，将其看做马路上控制流量的信号灯 比如”后厂村路“想要控制人流量，每次只允许200辆车通过，其余车辆必须在路口等待，前200辆车拿到通过的许可证，可以开进马路，后面的车因为没有许可证不允许驶入“后厂村路”。如果其中有10辆车已经完全通过马路，哨兵重新颁发10张许可证给等待车辆，这10辆车允许通过。

What

什么是Simaphore?
上面的例子中，车辆就是工作线程、许可证可以当做是令牌，驶入马路表示线程在执行，完全通过马路表示线程执行完毕。
通过上面的例子可以总结出Simaphore概念的含义：用于控制同时访问特定资源的线程数,并且每个线程在获取锁之前必须从semaphore获取许可(可以理解为令牌)，当该线程获取锁之后执行完业务，将令牌释放回资源池中，其他线程可以重复利用。

信号量默认大小是1，表示只允许一个线程访问资源（也就是源码中用的permits，我理解翻译成资源比较合适），可以被用作互斥锁。这通常被称为二进制信号量，因为它只有两种状态：
还有一个资源可以被访问、零个资源可以被访问，

类结构

Semaphore类本身只实现了一个Serializable接口，其内部有一个抽象内部类的Sync同步组件，该类本身继承了AbstractQueuedSynchronizer（以下都简称为AQS），以AQS为基础实现了自己的信号量同步器，之前提到过AQS中定义了通用的state，在Semaphore中表示可用资源数，Sync类本身提供了一些方法供其两个实现类NonfairSync和FairSync调用，保证Semaphore同样提供公平的获取资源及非公平的获取资源等两种模式，非公平模式下，资源利用的效率高于公平模式。

关于AQS，后续会推一篇文章专门介绍一下。【挖坑+1】

如何创建Semaphore

1、初始化可用资源数。
默认采用非公平模式

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

初始化可用资源数。可以自定义是否是公平模式

/**
* 初始化信号量对象
* @param permits   允许访问资源数
* @param fair      是否公平
*/
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
 sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

3. 基本方法

1. acquire()

获取可用资源。
该方法直接调用AQS的共享的、可中断的获取同步状态的方法。
如果获取不到资源则阻塞线程，直到有可用资源或者被其他线程中断，获取到资源之后，将资源池的可用资源数减1。

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

2. acquireUninterruptibly()

非中断的获取资源。该方法直接调用AQS中的acquireShared()方法
如果没有资源可访问，则当前线程会一直等待，直到其他线程释放资源，资源池中有资源可访问。

public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}

3. tryAcquire()

尝试获取资源，
非公平的抢占，不在乎是否有线程在等待。如果资产池有中资源可用则返回true，否则返回false
直接调用抽象内部类的非公平抢占式方法

public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

4. tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

如果在给定时间内有可用获取资源或者线程没有被中断，则线程尝试获取资源。
公平机制本质是调用AQS中的tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)
如果获取资源成功，则返回true，并且将资源池可用资源减1。

如果没有可用资源线程会一直等待，直到出现以下三种情况：

其他线程释放资源，并且当前线程是下一个等着获取资源的线程
其他线程中断，当前线程可用。
超时

/**
 * @param timeout     超时时间
 * @param unit        超时时间单位
 * @return
 * @throws InterruptedException
 */
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

5. release()

释放资源，资源池可用资源+1
方法实现是直接调用AQS中的releaseShared(int arg)方法

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

6. acquire(int permits)

获取特定数量资源调用AQS中的acquireSharedInterruptibly(int arg)方法

获取给定数量资源，资源不够则阻塞等待，如果线程被中断则放弃等待
其中permits表示可获取的资源

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
 if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
 sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

7. acquireUninterruptibly(int permits)

获取特定数量资源(不可中断)
在可用资源够用之前，需要一直等待获取，即使当前线程被其他线程中断，也会一直阻塞等待

public void acquireUninterruptibly(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireShared(permits);
}

8. tryAcquire(int permits)

获取特定数量的资源数非公平的获取
如果资源数不够，则直接返回false，放弃等待

public boolean tryAcquire(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

9. tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)

带有超时的尝试获取特定资源数
本质是调用AQS中的tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)方法

public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

10. release(int permits)

释放特定资源数

public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

4. 实例

设置30个正在执行的线程，但是每次只允许10个并发线程执行，5s之后执行问，其他线程可以获取资源。

/**
 * @time 2019/12/14 14:54
 * @Description 信号量的例子
 *
 * 设置30个正在执行的线程，但是只允许10个并发线程执行
 */
public class SemaphoreTest {

    private static final int THREAD_TOTAL = 30;

    /**
     * 初始化一个固定的线程池
     */
    private static ExecutorService poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(THREAD_TOTAL,
            THREAD_TOTAL,
            60,
            TimeUnit.SECONDS,
            new ArrayBlockingQueue <>(1024),
            new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    /**
     * 初始化信号量
     */
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(10,false);

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < THREAD_TOTAL; i++){
            poolExecutor.execute(()-> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("允许获取资源，序号");
                    // 模拟工作1S
                    Thread.sleep(5000);
                    // 释放资源，然后
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
        poolExecutor.shutdown();
    }
}