第15篇：UC中的Semaphore（信号量）-Java充电社【公众号：Java充电社】

## 目录
[TOC]

## Semaphore简介

Semaphore（信号量）为多线程协作提供了更为强大的控制方法，前面的文章中我们学了synchronized和重入锁ReentrantLock，这2种锁一次都只能允许一个线程访问一个资源，而信号量可以控制有多少个线程可以**同时访问**特定的资源。

**Semaphore常用场景：限流**

举个例子：

比如有个停车场，有5个空位，门口有个门卫，手中5把钥匙分别对应5个车位上面的锁，来一辆车，门卫会给司机一把钥匙，然后进去找到对应的车位停下来，出去的时候司机将钥匙归还给门卫。停车场生意比较好，同时来了100两车，门卫手中只有5把钥匙，同时只能放5辆车进入，其他车只能等待，等有人将钥匙归还给门卫之后，才能让其他车辆进入。

上面的例子中门卫就相当于Semaphore，车钥匙就相当于许可证，车就相当于线程。

## Semaphore主要方法

- **Semaphore(int permits)**：构造方法，参数表示许可证数量，用来创建信号量

- **Semaphore(int permits,boolean fair)**：构造方法，当fair等于true时，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为公平信号量
- **void acquire() throws InterruptedException**：从此信号量获取1个许可前线程将一直阻塞，相当于一辆车占了一个车位，此方法会响应线程中断，表示调用线程的interrupt方法，会使该方法抛出InterruptedException异常
- **void acquire(int permits) throws InterruptedException** ：和acquire()方法类似，参数表示需要获取许可的数量；比如一个大卡车要入停车场，由于车比较大，需要申请3个车位才可以停放
- **void acquireUninterruptibly(int permits)** ：和acquire(int permits) 方法类似，只是不会响应线程中断
- **boolean tryAcquire()**：尝试获取1个许可，不管是否能够获取成功，都立即返回，true表示获取成功，false表示获取失败
- **boolean tryAcquire(int permits)**：和tryAcquire()，表示尝试获取permits个许可
- **boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException**：尝试在指定的时间内获取1个许可，获取成功返回true，指定的时间过后还是无法获取许可，返回false
- **boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException**：和tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)类似，多了一个permits参数，表示尝试获取permits个许可
- **void release()**：释放一个许可，将其返回给信号量，相当于车从停车场出去时将钥匙归还给门卫
- **void release(int n)**：释放n个许可
- **int availablePermits()**：当前可用的许可数

## 示例1：Semaphore简单的使用

```java
package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
 */
public class Demo1 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

@Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",释放许可!");
            }
        }
    }

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new T("t-" + i).start();
        }
    }
}
```

输出：

```java
1563715791327,t-0,获取许可!
1563715791327,t-1,获取许可!
1563715794328,t-0,释放许可!
1563715794328,t-5,获取许可!
1563715794328,t-1,释放许可!
1563715794328,t-2,获取许可!
1563715797328,t-2,释放许可!
1563715797328,t-6,获取许可!
1563715797328,t-5,释放许可!
1563715797328,t-3,获取许可!
1563715800329,t-6,释放许可!
1563715800329,t-9,获取许可!
1563715800329,t-3,释放许可!
1563715800329,t-7,获取许可!
1563715803330,t-7,释放许可!
1563715803330,t-8,获取许可!
1563715803330,t-9,释放许可!
1563715803330,t-4,获取许可!
1563715806330,t-8,释放许可!
1563715806330,t-4,释放许可!
```

代码中`new Semaphore(2)`创建了许可数量为2的信号量，每个线程获取1个许可，同时允许两个线程获取许可，从输出中也可以看出，同时有两个线程可以获取许可，其他线程需要等待已获取许可的线程释放许可之后才能运行。为获取到许可的线程会阻塞在`acquire()`方法上，直到获取到许可才能继续。

## 示例2：获取许可之后不释放

门卫（Semaphore）有点呆，司机进去的时候给了钥匙，出来的时候不归还，门卫也不会说什么。最终结果就是其他车辆都无法进入了。

如下代码：

```java
package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo2 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

@Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new T("t-" + i).start();
        }
    }
}
```

输出：

```txt
1563716603924,t-0,获取许可!
1563716603924,t-1,获取许可!
1563716606925,t-0,运行结束!
1563716606925,t-0,当前可用许可数量:0
1563716606925,t-1,运行结束!
1563716606925,t-1,当前可用许可数量:0
```

上面程序运行后一直无法结束，观察一下代码，代码中获取许可后，没有释放许可的代码，最终导致，可用许可数量为0，其他线程无法获取许可，会在`semaphore.acquire();`处等待，导致程序无法结束。

## 示例3：释放许可正确的姿势

示例1中，在finally里面释放锁，会有问题么？

如果获取锁的过程中发生异常，导致获取锁失败，最后finally里面也释放了许可，最终会怎么样，导致许可数量凭空增长了。

示例代码：

```java
package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo3 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

@Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                //休眠100秒
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
        }
    }

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        t1.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t2 = new T("t2");
        t2.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t3 = new T("t3");
        t3.start();

//给t2和t3发送中断信号
        t2.interrupt();
        t3.interrupt();
    }
}
```

输出：

```java
1563717279058,t1,获取许可,当前可用许可数量:0
java.lang.InterruptedException
1563717281060,t2,当前可用许可数量:1
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)
1563717281060,t3,当前可用许可数量:2
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
	at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)
java.lang.InterruptedException
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)
	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
	at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)
```

程序中信号量许可数量为1，创建了3个线程获取许可，线程t1获取成功了，然后休眠100秒。其他两个线程阻塞在`semaphore.acquire();`方法处，代码中对线程t2、t3发送中断信号，我们看一下Semaphore中acquire的源码：

```java
public void acquire() throws InterruptedException
```

这个方法会响应线程中断，主线程中对t2、t3发送中断信号之后，`acquire()`方法会触发`InterruptedException`异常，t2、t3最终没有获取到许可，但是他们都执行了finally中的释放许可的操作，最后导致许可数量变为了2，导致许可数量增加了。所以程序中释放许可的方式有问题。需要改进一下，获取许可成功才去释放锁。

**正确的释放锁的方式，如下：**

```java
package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo4 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

@Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            //获取许可是否成功
            boolean acquireSuccess = false;
            try {
                semaphore.acquire();
                acquireSuccess = true;
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                //休眠100秒
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (acquireSuccess) {
                    semaphore.release();
                }
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
        }
    }

//给t2和t3发送中断信号
        t2.interrupt();
        t3.interrupt();
    }
}
```

输出：

```java
1563717751655,t1,获取许可,当前可用许可数量:0
1563717753657,t3,当前可用许可数量:0
java.lang.InterruptedException
1563717753657,t2,当前可用许可数量:0
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)
	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
	at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
java.lang.InterruptedException
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
	at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
1563717756656,t1,运行结束!
1563717756656,t1,当前可用许可数量:1
```

程序中增加了一个变量`acquireSuccess`用来标记获取许可是否成功，在finally中根据这个变量是否为true，来确定是否释放许可。

## 示例4：在规定的时间内希望获取许可

司机来到停车场，发现停车场已经满了，只能在外等待内部的车出来之后才能进去，但是要等多久，他自己也不知道，他希望等10分钟，如果还是无法进去，就不到这里停车了。

Semaphore内部2个方法可以提供超时获取许可的功能：

```java
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException 
```

在指定的时间内去尝试获取许可，如果能够获取到，返回true，获取不到返回false。

**示例代码：**

```java
package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
 */
public class Demo5 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

@Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            //获取许可是否成功
            boolean acquireSuccess = false;
            try {
                //尝试在1秒内获取许可，获取成功返回true，否则返回false
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",尝试获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                acquireSuccess = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);
                //获取成功执行业务代码
                if (acquireSuccess) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可成功,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                    //休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可失败,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (acquireSuccess) {
                    semaphore.release();
                }
            }
        }
    }

输出：

```java
1563718410202,t1,尝试获取许可,当前可用许可数量:1
1563718410202,t1,获取许可成功,当前可用许可数量:0
1563718411203,t2,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
1563718412203,t3,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
1563718412204,t2,获取许可失败,当前可用许可数量:0
1563718413204,t3,获取许可失败,当前可用许可数量:0
```

代码中许可数量为1，`semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);`：表示尝试在1秒内获取许可，获取成功立即返回true，超过1秒还是获取不到，返回false。线程t1获取许可成功，之后休眠了5秒，从输出中可以看出t2和t3都尝试了1秒，获取失败。

## 其他一些使用说明

1. Semaphore默认创建的是非公平的信号量，什么意思呢？这个涉及到公平与非公平。举个例子：5个车位，允许5个车辆进去，来了100辆车，只能进去5辆，其他95在外面排队等着。里面刚好出来了1辆，此时刚好又来了10辆车，这10辆车是直接插队到其他95辆前面去，还是到95辆后面去排队呢？排队就表示公平，直接去插队争抢第一个，就表示不公平。对于停车场，排队肯定更好一些咯。不过对于信号量来说不公平的效率更高一些，所以默认是不公平的。
2. 建议阅读以下Semaphore的源码，对常用的方法有个了解，不需要都记住，用的时候也方便查询就好。
3. 方法中带有`throws InterruptedException`声明的，表示这个方法会响应线程中断信号，什么意思？表示调用线程的`interrupt()`方法，会让这些方法触发`InterruptedException`异常，即使这些方法处于阻塞状态，也会立即返回，并抛出`InterruptedException`异常，线程中断信号也会被清除。

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## 最新资料

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4. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247484544&idx=2&sn=c1dfe907cfaa5b9ae8e66fc247ccbe84&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">阿里大佬的《MySQL 学习笔记高清.pdf》</a>
5. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485167&idx=1&sn=48d75c8e93e748235a3547f34921dfb7&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">2021 版 java 高并发常见面试题汇总.pdf</a>
6. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485664&idx=1&sn=435f9f515a8f881642820d7790ad20ce&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">Idea 快捷键大全.pdf</a>

![](https://itsoku.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/itsoku/blog/article/1/2883e86e-3eff-404a-8943-0066e5e2b454.png)