Semaphore（信号量）是一个线程同步结构，用于在线程间传递信号，以避免出现信号丢失，或者像锁一样用于保护一个关键区域。自从 5.0 开始，jdk 在 java.util.concurrent 包里提供了 Semaphore 的官方实现，因此大家不需要自己去实现 Semaphore。
- 简单的 Semaphore 实现
- 使用 Semaphore 来发出信号
- 可计数的 Semaphore
- 有上限的 Semaphore
- 把 Semaphore 当锁来使用
简单的 Semaphore 实现
下面是一个信号量的简单实现：
public class Semaphore {
private boolean signal = false;
public synchronized void take() {
this.signal = true;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(!this.signal) wait();
this.signal = false;
}
}
Take 方法发出一个被存放在 Semaphore 内部的信号，而 Release 方法则等待一个信号，当其接收到信号后，标记位 signal 被清空，然后该方法终止。
使用这个 semaphore 可以避免错失某些信号通知。用 take 方法来代替 notify，release 方法来代替 wait。如果某线程在调用 release 等待之前调用 take 方法，那么调用 release 方法的线程仍然知道 take 方法已经被某个线程调用过了，因为该 Semaphore 内部保存了 take 方法发出的信号。而 wait 和 notify 方法就没有这样的功能。
当用 semaphore 来产生信号时，take 和 release 这两个方法名看起来有点奇怪。这两个名字来源于后面把 semaphore 当做锁的例子，后面会详细介绍这个例子，在该例子中，take 和 release 这两个名字会变得很合理。
使用 Semaphore 来产生信号
下面的例子中，两个线程通过 Semaphore 发出的信号来通知对方
Semaphore semaphore = new Semaphore();
SendingThread sender = new SendingThread(semaphore)；
ReceivingThread receiver = new ReceivingThread(semaphore);
receiver.start();
sender.start();
public class SendingThread {
Semaphore semaphore = null;
public SendingThread(Semaphore semaphore){
this.semaphore = semaphore;
}
public void run(){
while(true){
//do something, then signal
this.semaphore.take();
}
}
}
public class RecevingThread {
Semaphore semaphore = null;
public ReceivingThread(Semaphore semaphore){
this.semaphore = semaphore;
}
public void run(){
while(true){
this.semaphore.release();
//receive signal, then do something...
}
}
}
可计数的 Semaphore
上面提到的 Semaphore 的简单实现并没有计算通过调用 take 方法所产生信号的数量。可以把它改造成具有计数功能的 Semaphore。下面是一个可计数的 Semaphore 的简单实现。
public class CountingSemaphore {
private int signals = 0;
public synchronized void take() {
this.signals++;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(this.signals == 0) wait();
this.signals--;
}
}
有上限的 Semaphore
上面的 CountingSemaphore 并没有限制信号的数量。下面的代码将 CountingSemaphore 改造成一个信号数量有上限的 BoundedSemaphore。
public class BoundedSemaphore {
private int signals = 0;
private int bound = 0;
public BoundedSemaphore(int upperBound){
this.bound = upperBound;
}
public synchronized void take() throws InterruptedException{
while(this.signals == bound) wait();
this.signals++;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(this.signals == 0) wait();
this.signals--;
this.notify();
}
}
在 BoundedSemaphore 中，当已经产生的信号数量达到了上限，take 方法将阻塞新的信号产生请求，直到某个线程调用 release 方法后，被阻塞于 take 方法的线程才能传递自己的信号。
把 Semaphore 当锁来使用
当信号量的数量上限是 1 时，Semaphore 可以被当做锁来使用。通过 take 和 release 方法来保护关键区域。请看下面的例子：
BoundedSemaphore semaphore = new BoundedSemaphore(1);
...
semaphore.take();
try{
//critical section
} finally {
semaphore.release();
}
在前面的例子中，Semaphore 被用来在多个线程之间传递信号，这种情况下，take 和 release 分别被不同的线程调用。但是在锁这个例子中，take 和 release 方法将被同一线程调用，因为只允许一个线程来获取信号（允许进入关键区域的信号），其它调用 take 方法获取信号的线程将被阻塞，知道第一个调用 take 方法的线程调用 release 方法来释放信号。对 release 方法的调用永远不会被阻塞，这是因为任何一个线程都是先调用 take 方法，然后再调用 release。
通过有上限的 Semaphore 可以限制进入某代码块的线程数量。设想一下，在上面的例子中，如果 BoundedSemaphore 上限设为 5 将会发生什么？意味着允许 5 个线程同时访问关键区域，但是你必须保证，这个 5 个线程不会互相冲突。否则你的应用程序将不能正常运行。
必须注意，release 方法应当在 finally 块中被执行。这样可以保在关键区域的代码抛出异常的情况下，信号也一定会被释放。