铂金04:令行禁止-为何说信号量是线程间的同步利器
欢迎来到《并发王者课》,本文是该系列文章中的第17篇。
在并发编程中,信号量是线程同步的重要工具。在本文中,我将带你认识信号量的概念、用法、种类以及Java中的信号量。
信号量(Semaphore) 是线程间的同步结构,主要用于多线程协作时的信号传递,以及对共享资源的保护、防止竞态的发生等。信号量这一概念听起来比较抽象,然而读完本文你会发现它竟然也是如此通俗易懂且挺有用。
一、认识简单的信号量
虽然信号量的概念很抽象,但理解起来可以很简单。比如下面这幅图,在峡谷对局中,大乔使用大招向哪吒发起了救援,而哪吒在接收到求救信号后前往救援。
在救援的过程中,信号无疑是关键的。如果把大乔和哪吒看作两个线程,那么他们在求救、救援过程中的信号就可以看作是信号量,用于线程间的同步和通信。
接下来,我们写一个简单的信号量,模拟还原刚才的求救和施救的过程。
定义一个求救的信号量,里面包含信号、信号发送和信号接收。
// 求救信号
public class ForHelpSemaphore {private boolean signal = false;public synchronized void sendSignal() {this.signal = true;this.notify();System.out.println("呼救信号已经发送!");}public synchronized void receiveSignal() throws InterruptedException {System.out.println("已经就绪,等待求救信号...");while (!this.signal) {wait();}this.signal = false;System.out.println("求救信号已经收到,正在前往救援!");}
}
再创建两个线程,分别代表大乔和哪吒。
public static void main(String[] args) {ForHelpSemaphore helpSemaphore = new ForHelpSemaphore();Thread 大乔 = new Thread(helpSemaphore::sendSignal);Thread 哪吒 = new Thread(() -> {try {helpSemaphore.receiveSignal();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});大乔.start();哪吒.start();}
从运行结果中可以看到,他们通过信号量的机制完成了救援行动。
你看,最简单的信号量就是这样的简单。
二、理解宽泛意义上的的信号量
如果把上面大乔和哪吒救援的例子做个梳理的话,可以发展信号量中的一些关键信息:
- 共享的资源。比如
signal
字段是两个线程共享的,它是两个线程协同的基础; - 多个线程访问相同的共享资源,并根据资源状态采取行动。比如大乔和哪吒都会读写
signal
字段,然后采取行动。
基于上面的两点理解,我们可以把信号量抽象为下面这张图所示:
从图中可以看到,多个线程共享一份资源列表,但是资源是有限的。所以,线程之间必然要按照一定的顺序有序地访问资源,并在访问结束后释放资源。没有获得资源的线程,只能等待其他线程释放资源后再次尝试获取。
多线程对共享资源的访问过程,也可以用下面这张流程图表示:
如果你能把这两幅图理解了,那么你也就把信号量的机制理解了。而一旦理解了机制,所谓的源码不过只是某种具体的实现。
三、认识不同类型的信号量
根据信号量的机制和应用场景,一般有下面几种不同类型的信号量。
1. 计数型信号量
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--;}
}
2. 边界型信号量
在计数型信号量中,信号的数量是没有限制的。换句话说,所有的线程都可以发送信号。与此不同的是,在边界型信号量中,通过bound
字段增加了信号量的限制。
public class BoundedSemaphore {private int signal = 0;private int bound = 0;public BoundedSemaphore(int upperBound) {this.bound = upperBound;}public void synchronized take() throws InterruptedException {while (this.signal == bound)wait();this.signal++;this.notify++;}public void synchronized release() throws InterruptedException {while (this.signal == 0)wait();this.signal--;}
}
3. 定时型信号量
**定时型(timed)**信号量指的是允许线程在指定的时间周期内才能执行任务。时间周期结束后,定时器将会重置,所有的许可也都会被回收。
4. 二进制型信号量
二进制信号量和计数型信号量类似,但许可的值只有0和1两种。实现二进制型信号量相对也是比较容易的,如果是1就是成功,否则是0就是失败。
四、Java中的信号量
在理解了信号量机制并且也理解它很有用之后,先不用着急实现它。在Java中,已经提供了相应的信号量工具类,即java.util.concurrent.Semaphore
。并且,Java中的信号量实现已经比较全面,你不需要再重写它。
1. Semaphore的核心构造
Semaphore类有两个核心构造:
Semaphore(int num)
Semaphore(int num, boolean fair)
其中,num
表示的是允许访问共享资源的线程数量,而布尔类型的fair
则表示线程等待时是否需要考虑公平。
2. Semaphore的核心方法
acquire()
: 获取许可,如果当前没有可用的许可,将进入阻塞等待状态;tryAcquire()
:尝试获取许可,无论有没有可用的许可,都会立即返回;release()
: 释放许可;availablePermits()
:返回可用的许可数量。
五、如何通过信号量实现锁的能力
在上面的示例中,由于信号量可以用于保护多线程对共享资源的访问,所以直觉你可能会觉得它像一把锁,而事实上信号量确实可以用于实现锁的能力。
比如,借助于边界信号量,我们把线程访问的上线设置为1,那么此时将只有1个线程可以访问共享资源,而这不就是锁的能力嘛!
下面是通过信号量实现锁的一个示例:
BoundedSemaphore semaphore = new BoundedSemaphore(1);
...
semaphore.take();
try {//临界区
} finally {semaphore.release();
}
我们把信号量中的信号数量上限设置为1,代码中的take()
就相当于lock()
,而release()
则相当于unlock()
。如此,信号量摇身一变就成了名副其实的锁。
小结
以上就是关于信号量的全部内容。在本文中,我们介绍了信号量的概念、运行机制、信号量的几种类型、Java中的信号量实现,以及如果通过信号量实现一把锁。
理解信号量的关键在于理解它的概念,也就是它所要解决的问题和它的方案。在理解概念和机制之后,再去看Java中的源码时,就会发现原来如此,又是队列…
正文到此结束,恭喜你又上了一颗星✨
夫子的试炼
- 基于对信号量的理解,尝试自己实现一个简单的信号量。
延伸阅读与参考资料
- Semaphores
- 《并发王者课》大纲与更新进度总览
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- 阅读掘金原文
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