019-并发编程-java.util.concurrent之-Semaphore 信号量

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一、概述

Semaphore是一个计数信号量。从概念上将，Semaphore包含一组许可证。如果有需要的话，每个acquire()方法都会阻塞，直到获取一个可用的许可证。每个release()方法都会释放持有许可证的线程，并且归还Semaphore一个可用的许可证。然而，实际上并没有真实的许可证对象供线程使用，Semaphore只是对可用的数量进行管理维护。

信号量机制是一种有限数量的共享模式锁。控制临界资源超出范围的一种手段。可用于流量控制，限制最大的并发访问数。

Semaphore是通过共享锁实现的。根据共享锁的获取原则，Semaphore分为"公平信号量"和"非公平信号量"。

1.1、使用场景

Semaphore经常用于限制获取某种资源的线程数量。为何会有信号量？因为任何资源都是有上限的，如数据库访问数量，IO瓶颈、网络最大传输量等

二、源码查看

Semaphore也是基于AQS实现的，在其内部也是通过一个内部类Sync实现同步器AQS，同样也是通过实现Sync实现公平锁和非公平锁。

"公平信号量"和"非公平信号量"的释放信号量的机制是一样的！不同的是它们获取信号量的机制：线程在尝试获取信号量许可时，对于公平信号量而言，如果当前线程不在CLH队列的头部，则排队等候；而对于非公平信号量而言，无论当前线程是不是在CLH队列的头部，它都会直接获取信号量。该差异具体的体现在，它们的tryAcquireShared()函数的实现不同。

2.1、使用

Semaphore semaphore=new Semaphore(2);
semaphore.acquire();
semaphore.release();

构造函数

public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

permits 表示许可线程的数量
fair 表示公平性，如果这个设为 true 的话，下次执行的线程会是等待最久的线程

自定义同步器构建的公平锁和非公平锁创建

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -3222578661600680210L;
/** All mechanics via AbstractQueuedSynchronizer subclass */
private final Sync sync; abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {} static final class NonfairSync extends Sync {} static final class FairSync extends Sync{}
}

查看Sync同步器的构造方法

Sync(int permits) {
setState(permits);
}

可以看到同步器是在构造时必须传入permits，即信号量的许可证数

2.2、公平信号量获取-acquire

public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

信号量中的acquire()获取函数，实际上是调用的AQS中的acquireSharedInterruptibly()。

查看acquireSharedInterruptibly内部实现

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 如果线程是中断状态，则抛出异常。
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 否则，尝试获取“共享锁”；获取成功则直接返回，获取失败，则通过doAcquireSharedInterruptibly()获取。
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

tryAcquireShared模板方法在自定义同步器中实现，Semaphore中”公平锁“对应的tryAcquireShared()实现如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 判断“当前线程”是不是CLH队列中的第一个线程线程，
// 若是的话，则返回-1。
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
// 设置“可以获得的信号量的许可数”
int available = getState();
// 设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
int remaining = available - acquires;
// 如果“剩余的信号量许可数>=0”，则设置“可以获得的信号量许可数”为remaining。
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}

说明：tryAcquireShared()的作用是尝试获取acquires个信号量许可数。
对于Semaphore而言，state表示的是“当前可获得的信号量许可数”。

下面看看AQS中doAcquireSharedInterruptibly()的实现：

private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)
throws InterruptedException {
// 创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁是”共享锁“类型；并将该节点添加到CLH队列末尾。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 获取上一个节点。
// 如果上一节点是CLH队列的表头，则”尝试获取共享锁“。
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
long r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 当前线程一直等待，直到获取到共享锁。
// 如果线程在等待过程中被中断过，则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

说明：doAcquireSharedInterruptibly()会使当前线程一直等待，直到当前线程获取到共享锁(或被中断)才返回。
(01) addWaiter(Node.SHARED)的作用是，创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED)；并将该节点添加到CLH队列末尾。
(02) node.predecessor()的作用是，获取上一个节点。如果上一节点是CLH队列的表头，则”尝试获取共享锁“。
(03) shouldParkAfterFailedAcquire()的作用和它的名称一样，如果在尝试获取锁失败之后，线程应该等待，则返回true；否则，返回false。
(04) 当shouldParkAfterFailedAcquire()返回ture时，则调用parkAndCheckInterrupt()，当前线程会进入等待状态，直到获取到共享锁才继续运行。

2.3、公平信号量释放-release

Semaphore中公平信号量(FairSync)的释放API如下：

public void release() {
sync.releaseShared(1);
}public void release(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.releaseShared(permits);
}

信号量的releases()释放函数，实际上是调用的AQS中的releaseShared()。

releaseShared()在AQS中实现，源码如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}

说明：releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功，则直接返回；尝试失败，则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

Semaphore重写了tryReleaseShared()，它的源码如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 获取“可以获得的信号量的许可数”
int current = getState();
// 获取“释放releases个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// 设置“可以获得的信号量的许可数”为next。
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}

如果tryReleaseShared()尝试释放共享锁失败，则会调用doReleaseShared()去释放共享锁。doReleaseShared()的源码如下：

private void doReleaseShared() {
for (;;) {
// 获取CLH队列的头节点
Node h = head;
// 如果头节点不为null，并且头节点不等于tail节点。
if (h != null && h != tail) {
// 获取头节点对应的线程的状态
int ws = h.waitStatus;
// 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态，则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话，则继续循环。
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。
unparkSuccessor(h);
}
// 如果头节点对应的线程是空状态，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
// 如果头节点发生变化，则继续循环。否则，退出循环。
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}

说明：doReleaseShared()会释放“共享锁”。它会从前往后的遍历CLH队列，依次“唤醒”然后“执行”队列中每个节点对应的线程；最终的目的是让这些线程释放它们所持有的信号量。

2.4、非公平信号量获取和释放

Semaphore中的非公平信号量是NonFairSync。在Semaphore中，“非公平信号量许可的释放(release)”与“公平信号量许可的释放(release)”是一样的。
不同的是它们获取“信号量许可”的机制不同，下面是非公平信号量获取信号量许可的代码。

非公平信号量的tryAcquireShared()实现如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

nonfairTryAcquireShared()的实现如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 设置“可以获得的信号量的许可数”
int available = getState();
// 设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
int remaining = available - acquires;
// 如果“剩余的信号量许可数>=0”，则设置“可以获得的信号量许可数”为remaining。
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}

说明：非公平信号量的tryAcquireShared()调用AQS中的nonfairTryAcquireShared()。而在nonfairTryAcquireShared()的for循环中，它都会直接判断“当前剩余的信号量许可数”是否足够；足够的话，则直接“设置可以获得的信号量许可数”，进而再获取信号量。
而公平信号量的tryAcquireShared()中，在获取信号量之前会通过if (hasQueuedPredecessors())来判断“当前线程是不是在CLH队列的头部”，是的话，则返回-1。

三、示例

public class SemaphoreTest {
// 自定义工作线程
private static class Worker extends Thread {
private CountDownLatch countDownLatch;
private Semaphore semaphore; public Worker(CountDownLatch countDownLatch, Semaphore semaphore) {
this.countDownLatch = countDownLatch;
this.semaphore = semaphore;
} @Override
public void run() {
super.run(); boolean hasAcquire = false;
try {
countDownLatch.await();
semaphore.acquire();
hasAcquire = true;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
// 工作线程开始处理，这里用Thread.sleep()来模拟业务处理
Thread.sleep(1000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (hasAcquire) {
semaphore.release();
}
}
}
} public static void main(String[] args) {
int threadCount = 10;
int permitCount = 3; CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
Semaphore semaphore = new Semaphore(permitCount); for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
Worker worker = new Worker(countDownLatch, semaphore);
worker.start();
} countDownLatch.countDown();
}
}

输出

Thread-1开始执行
Thread-0开始执行
Thread-9开始执行
Thread-1执行完毕
Thread-2开始执行
Thread-9执行完毕
Thread-0执行完毕
Thread-3开始执行
Thread-4开始执行
Thread-2执行完毕
Thread-3执行完毕
Thread-4执行完毕
Thread-6开始执行
Thread-5开始执行
Thread-7开始执行
Thread-6执行完毕
Thread-7执行完毕
Thread-5执行完毕
Thread-8开始执行
Thread-8执行完毕