歡迎來到《並發王者課》，本文是該系列文章中的第17篇。
在並發編程中，信號量是線程同步的重要工具。在本文中，我將帶你認識信號量的概念、用法、種類以及Java中的信號量。
信號量（Semaphore） 是線程間的同步結構，主要用於多線程協作時的信號傳遞，以及對共享資源的保護、防止競態的發生等。信號量這一概念聽起來比較抽象，然而讀完本文你會發現它竟然也是如此通俗易懂且挺有用。
一、認識簡單的信號量
雖然信號量的概念很抽象，但理解起來可以很簡單。比如下面這幅圖，在峽谷對局中，大喬使用大招向哪吒發起了救援，而哪吒在接收到求救信號后前往救援。
在救援的過程中，信號無疑是關鍵的。如果把大喬和哪吒看作兩個線程，那么他們在求救、救援過程中的信號就可以看作是信號量，用於線程間的同步和通信。
接下來，我們寫一個簡單的信號量，模擬還原剛才的求救和施救的過程。
定義一個求救的信號量，里面包含信號、信號發送和信號接收。
// 求救信號
public class ForHelpSemaphore {
private boolean signal = false;
public synchronized void sendSignal() {
this.signal = true;
this.notify();
System.out.println("呼救信號已經發送！");
}
public synchronized void receiveSignal() throws InterruptedException {
System.out.println("已經就緒，等待求救信號...");
while (!this.signal) {
wait();
}
this.signal = false;
System.out.println("求救信號已經收到，正在前往救援！");
}
}
再創建兩個線程，分別代表大喬和哪吒。
public static void main(String[] args) {
ForHelpSemaphore helpSemaphore = new ForHelpSemaphore();
Thread 大喬 = new Thread(helpSemaphore::sendSignal);
Thread 哪吒 = new Thread(() -> {
try {
helpSemaphore.receiveSignal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
大喬.start();
哪吒.start();
}
從運行結果中可以看到，他們通過信號量的機制完成了救援行動。
你看，最簡單的信號量就是這樣的簡單。
二、理解寬泛意義上的的信號量
如果把上面大喬和哪吒救援的例子做個梳理的話，可以發展信號量中的一些關鍵信息：
- 共享的資源。比如
signal字段是兩個線程共享的，它是兩個線程協同的基礎； - 多個線程訪問相同的共享資源，並根據資源狀態采取行動。比如大喬和哪吒都會讀寫
signal字段，然后采取行動。
基於上面的兩點理解，我們可以把信號量抽象為下面這張圖所示：
從圖中可以看到，多個線程共享一份資源列表，但是資源是有限的。所以，線程之間必然要按照一定的順序有序地訪問資源，並在訪問結束后釋放資源。沒有獲得資源的線程，只能等待其他線程釋放資源后再次嘗試獲取。
多線程對共享資源的訪問過程，也可以用下面這張流程圖表示：
如果你能把這兩幅圖理解了，那么你也就把信號量的機制理解了。而一旦理解了機制，所謂的源碼不過只是某種具體的實現。
三、認識不同類型的信號量
根據信號量的機制和應用場景，一般有下面幾種不同類型的信號量。
1. 計數型信號量
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. 邊界型信號量
在計數型信號量中，信號的數量是沒有限制的。換句話說，所有的線程都可以發送信號。與此不同的是，在邊界型信號量中，通過bound字段增加了信號量的限制。
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. 定時型信號量
定時型（timed）信號量指的是允許線程在指定的時間周期內才能執行任務。時間周期結束后，定時器將會重置，所有的許可也都會被回收。
4. 二進制型信號量
二進制信號量和計數型信號量類似，但許可的值只有0和1兩種。實現二進制型信號量相對也是比較容易的，如果是1就是成功，否則是0就是失敗。
四、Java中的信號量
在理解了信號量機制並且也理解它很有用之后，先不用着急實現它。在Java中，已經提供了相應的信號量工具類，即java.util.concurrent.Semaphore。並且，Java中的信號量實現已經比較全面，你不需要再重寫它。
1. Semaphore的核心構造
Semaphore類有兩個核心構造：
Semaphore(int num)Semaphore(int num, boolean fair)
其中，num表示的是允許訪問共享資源的線程數量，而布爾類型的fair則表示線程等待時是否需要考慮公平。
2. Semaphore的核心方法
acquire(): 獲取許可，如果當前沒有可用的許可，將進入阻塞等待狀態；tryAcquire()：嘗試獲取許可，無論有沒有可用的許可，都會立即返回；release(): 釋放許可；availablePermits():返回可用的許可數量。
五、如何通過信號量實現鎖的能力
在上面的示例中，由於信號量可以用於保護多線程對共享資源的訪問，所以直覺你可能會覺得它像一把鎖，而事實上信號量確實可以用於實現鎖的能力。
比如，借助於邊界信號量，我們把線程訪問的上線設置為1，那么此時將只有1個線程可以訪問共享資源，而這不就是鎖的能力嘛！
下面是通過信號量實現鎖的一個示例：
BoundedSemaphore semaphore = new BoundedSemaphore(1);
...
semaphore.take();
try {
//臨界區
} finally {
semaphore.release();
}
我們把信號量中的信號數量上限設置為1，代碼中的take()就相當於lock()，而release()則相當於unlock()。如此，信號量搖身一變就成了名副其實的鎖。
小結
以上就是關於信號量的全部內容。在本文中，我們介紹了信號量的概念、運行機制、信號量的幾種類型、Java中的信號量實現，以及如果通過信號量實現一把鎖。
理解信號量的關鍵在於理解它的概念，也就是它所要解決的問題和它的方案。在理解概念和機制之后，再去看Java中的源碼時，就會發現原來如此，又是隊列...
正文到此結束，恭喜你又上了一顆星✨
夫子的試煉
- 基於對信號量的理解，嘗試自己實現一個簡單的信號量。
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