【死磕Java并发】-----J.U.C之并发工具类：Semaphore

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，和CountDownLatch一样，其本质上是一个“共享锁”。

Semaphore，在API是这么介绍的：

一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。

下面我们就一个停车场的简单例子来阐述Semaphore：

为了简单起见我们假设停车场仅有5个停车位，一开始停车场没有车辆所有车位全部空着，然后先后到来三辆车，停车场车位够，安排进去停车，然后又来三辆，这个时候由于只有两个停车位，所有只能停两辆，其余一辆必须在外面候着，直到停车场有空车位，当然以后每来一辆都需要在外面候着。当停车场有车开出去，里面有空位了，则安排一辆车进去（至于是哪辆 要看选择的机制是公平还是非公平）。

从程序角度看，停车场就相当于信号量Semaphore，其中许可数为5，车辆就相对线程。当来一辆车时，许可数就会减 1 ，当停车场没有车位了（许可书 == 0 ），其他来的车辆需要在外面等候着。如果有一辆车开出停车场，许可数 + 1，然后放进来一辆车。

号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1

实现分析

Semaphore结构如下：



从上图可以看出Semaphore内部包含公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync），继承内部类Sync，其中Sync继承AQS（再一次阐述AQS的重要性）。

Semaphore提供了两个构造函数：

Semaphore(int permits) ：创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。

Semaphore(int permits, boolean fair) ：创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。

实现如下：

public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}

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

Semaphore默认选择非公平锁。

当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

信号量获取

Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

内部调用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法以共享模式获取同步状态：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)由子类来实现，对于Semaphore而言，如果我们选择非公平模式，则调用NonfairSync的tryAcquireShared(int arg)方法，否则调用FairSync的tryAcquireShared(int arg)方法。

公平

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
//判断该线程是否位于CLH队列的列头
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
//获取当前的信号量许可
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;

//CAS设置信号量
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}

非公平

对于非公平而言，因为它不需要判断当前线程是否位于CLH同步队列列头，所以相对而言会简单些。

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

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}

信号量释放

获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore提供release()来释放许可。

public void release() {
sync.releaseShared(1);
}

内部调用AQS的releaseShared(int arg)：

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

releaseShared(int arg)调用Semaphore内部类Sync的tryReleaseShared(int arg)：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
//信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
//设置可获取的信号许可数为next
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}

对于信号量的获取释放详细过程，请参考如下博客：

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：CLH同步队列

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：同步状态的获取与释放

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：阻塞和唤醒线程

【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁：ReentrantLock

应用示例

我们已停车为示例：

public class SemaphoreTest {

static class Parking{
//信号量
private Semaphore semaphore;

Parking(int count){
semaphore = new Semaphore(count);
}

public void park(){
try {
//获取信号量
semaphore.acquire();
long time = (long) (Math.random() * 10);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场，停车" + time + "秒..." );
Thread.sleep(time);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
}
}
}

static class Car extends Thread {
Parking parking ;

Car(Parking parking){
this.parking = parking;
}

@Override
public void run() {
parking.park();     //进入停车场
}
}

public static void main(String[] args){
Parking parking = new Parking(3);

for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){
new Car(parking).start();
}
}
}

运行结果如下：



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