理解semaphore

Semaphore(信号量)

信号量可以简单的概括为：一个计数器，一个等待队列，三个方法。在信号量模型里，计数器和等待队列对外是透明的，所以只能通过信号量模型提供的三个方法来访问它们，这三个方法分别是：init()、down()和up()。

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这三个方法详细的语义具体如下所示：

• init()：设置计数器的初始值。
• down()：计数器的值减1；如果此时计数器的值小于0，则当前线程将被阻塞，否则当前线程可以继续执行。
• up()：计数器的值加1；如果此时计数器的值小于或者等于0，则唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。

在Java SDK里面，信号量模型是由java.util.concurrent.Semaphore实现的，Semaphore这个类能够保证这三个方法都是原子操作。

class Semaphore{
  // 计数器
  int count;
  // 等待队列
  Queue queue;
  // 初始化操作
  Semaphore(int c){
    this.count=c;
  }
  // 
  void down(){
    this.count--;
    if(this.count<0){
      //将当前线程插入等待队列
      //阻塞当前线程
    }
  }
  void up(){
    this.count++;
    if(this.count<=0) {
      //移除等待队列中的某个线程T
      //唤醒线程T
    }
  }
}

down()、up()这两个操作历史上最早称为P操作和V操作，所以信号量模型也被称为PV原语。在Java SDK并发包里，down()和up()对应的则是acquire()和release()。

信号量是如何保证互斥的?

• 假设两个线程T1和T2同时访问addOne()方法，当它们同时调用acquire()的时候，由于acquire()是一个原子操作，所以只能有一个线程（假设T1）把信号量里的计数器减为0，另外一个线程（T2）则是将计数器减为-1。对于线程T1，信号量里面的计数器的值是0，大于等于0，所以线程T1会继续执行；对于线程T2，信号量里面的计数器的值是-1，小于0，按照信号量模型里对down()操作的描述，线程T2将被阻塞。所以此时只有线程T1会进入临界区执行count+=1；。
• 当线程T1执行release()操作，也就是up()操作的时候，信号量里计数器的值是-1，加1之后的值是0，小于等于0，按照信号量模型里对up()操作的描述，此时等待队列中的T2将会被唤醒。于是T2在T1执行完临界区代码之后才获得了进入临界区执行的机会，从而保证了互斥性。

快速实现一个限流器

Semaphore除了能像lock一样实现互斥锁之外，还可以允许多个线程访问同一个临界区。（这个功能是lock不容易实现的）

eg:如连接池、对象池、线程池等等。数据库连接池，在同一时刻，一定是允许多个线程同时使用连接池的，当然，每个连接在被释放前，是不允许其他线程使用的。

下面是一个常量池的一个实现代码：

class ObjPool<T, R> {
  final List<T> pool;
  // 用信号量实现限流器
  final Semaphore sem;
  // 构造函数
  ObjPool(int size, T t){
    pool = new Vector<T>(){};
    for(int i=0; i<size; i++){
      pool.add(t);
    }
    sem = new Semaphore(size);
  }
  // 利用对象池的对象，调用func
  R exec(Function<T,R> func) {
    T t = null;
    sem.acquire();
    try {
      t = pool.remove(0);
      return func.apply(t);
    } finally {
      pool.add(t);
      sem.release();
    }
  }
}
// 创建对象池
ObjPool<Long, String> pool = 
  new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通过对象池获取t，之后执行  
pool.exec(t -> {
    System.out.println(t);
    return t.toString();
});

总结一下：Semaphore就像旋转寿司店，共有10个座位，当座位有空余时，等待的人就可以坐上去。如果有只有2个空位，来的是一家3口，那就只有等待。如果来的是一对情侣，就可以直接坐上去吃。当然如果同时空出5个空位，那一家3口和一对情侣可以同时上去吃。CountDownLatch就像大型商场里面的临时游乐场，每一场游乐的时间过后等待的人同时进场玩，而一场中间会有不爱玩了的人随时出来，但不能进入，一旦所有进入的人都出来了，新一批人就可以同时进场

他们与非共享最大的区别就在于是否能多个线程同时获取锁。

这里有semaphore和countDownlatch的一篇文章。