《JUC》Semaphore原理/源码解析

《JUC》Semaphore原理/源码解析

一、概述

1、作用？

限制并发量，用来控制同时访问特定资源的线程数量。

2、使用场景？

适用于限制使用共享资源线程数量的场景。

3、常用类方法？

availablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数。getQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数。hashQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证。

4、案例

public class SemaphoreTest { public static void main(String[] args) { ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool(); Semaphore semaphore = new Semaphore(5);//定义5个许可证，也就是说服务器只允许5个人在里面玩 for(int i = 1 ; i <= 20 ; i++) { final int index = i; threadPool.execute(new Runnable() { @Override public void run() { try { semaphore.acquire();//获取一个许可证 play(); semaphore.release();//执行完成后释放这个许可证 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); } threadPool.shutdown(); } public static void play(){ try { System.out.println(new Date() + " " + Thread.currentThread().getName() + ":获得服务器进入资格"); Thread.sleep(2000); System.out.println(new Date() + " " + Thread.currentThread().getName() + ":退出服务器"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }}

二、原理

Semaphore用于做并发控制，通过设置初始permit（即AQS的state变量）许可量，每获取一个permit，就减1，直到为0时开始限制并发；线程在AQS队列中阻塞等待。

使用AQS做为模板类，内部集成一个AQS的子类Sync，采用state变量表示permit信号许可量；使用CAS用来控制多线程并发操作；使用AQS提供的共享锁机制实现线程的排队，所以其本质上是一个​​共享锁​​；sync也分为：公平的​​FairSync​​和非公平的​​NonfairSync​​，两者的区别主要体现在​​抢锁​​上，公平的要看​​是不是有人在排队​​，非公平的​​直接就去CAS​​获取锁。

线程通过acquire()操作获取permit：当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。线程通过release()来释放它所持有的信号量许可。acquire()和release()操作均由Sync类完成。

三、源码解析

1、acquire()获取锁流程

​​acquire()​​​方法中调用AQS的实现方法​​acquireSharedInterruptibly()​​​，我们可以看到模板方法​​acquireSharedInterruptibly()​​，会响应线程中断式的获取锁。

public void acquire() throws InterruptedException { // 调用Sync的acquireSharedInterruptibly()方法 sync.acquireSharedInterruptibly(1);}// AQS类的模板方法public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { // 响应线程的中断 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 调用子类tryAcquireShared()方法的实现，让子类实现自己获取信号量的机制。 // tryAcquireShared()方法返回-1表示获取锁失败，阻塞当前线程节点 if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 线程获取锁失败，加入到AQS的同步队列中阻塞等待。 doAcquireSharedInterruptibly(arg);}

公平与非公平主要体现在抢锁上，公平的要看是不是有人在排队，非公平的直接就去CAS获取锁。

// Sync类中// 非公平锁static final class NonfairSync extends Sync { protected int tryAcquireShared(int acquires) { return nonfairTryAcquireShared(acquires); }}// Sync中的非公平锁获取逻辑abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 给公平锁直接CAS抢即可，直到可用的资源数小于0 int available = getState(); int remaining = available - acquires; if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }}// 公平锁static final class FairSync extends Sync { protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 如果有线程在AQS队列中排队，则返回-1，由AQS完成阻塞操作 if (hasQueuedPredecessors()) return -1; int available = getState(); int remaining = available - acquires; // 此时有多余的信号量时，进行CAS操作；如果失败，返回剩下的资源数 // 如果CAS成功，则返回的资源数就是当前值：为0 或者 大于0 if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }}

2、release()释放锁流程

​​release()​​​方法中调用AQS的实现方法​​releaseShared()​​​，我们可以看到模板方法​​releaseShared()​​​，由子类完成释放后，将会调用​​doReleaseShared()​​方法唤醒后面等待的线程。

public void release() sync.releaseShared(1);}// 调用AQS类的模板方法public final boolean releaseShared(int arg) { // 子类自己实现自己的释放锁逻辑 if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false;}// Sync类中protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 纯CAS操作 int current = getState(); int next = current + releases; if (next < current) throw new Error("Maximum permit count exceeded"); if (compareAndSetState(current, next)) return true; }}

3、减少许可量

这里表示permit许可的个数时可以动态调整的。

// 减少几个许可量final void reducePermits(int reductions) { for (;;) { int current = getState(); int next = current - reductions; // 整型溢出 if (next > current) throw new Error("Permit count underflow"); if (compareAndSetState(current, next)) return; }}

四、总结

1）Semaphore，也叫信号量，通常用于控制多线程场景下对共享资源的访问，即限制并发量； 2）Semaphore的内部实现是基于AQS的共享锁来实现的； 3）Semaphore初始化的时候需要指定许可的次数，许可的次数是存储在AQS的state变量中； 4）可以动态的调整permit许可量。

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