Java并发包源码学习系列：同步组件Semaphore源码解析

Semaphore概述及案例学习

Semaphore信号量用来 控制同时访问特定资源的线程数量 ，它通过协调各个线程，以保证合理地使用公共资源。

public class SemaphoreTest {
private static final int THREAD_COUNT = 30;
private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
private static Semaphore s = new Semaphore(10); //10个许可证数量,最大并发数为10
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i ++){ //执行30个线程
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
s.tryAcquire(); //尝试获取一个许可证
System.out.println("save data");
s.release(); //使用完之后归还许可证
}
});
}
threadPool.shutdown();
}
}

• 创建一个大小为30的线程池，但是信号量规定在10，保证许可证数量为10。
• 每次线程调用 tryAcquire() 或者 acquire() 方法都会原子性的递减许可证的数量，release()会原子性递增许可证数量。

类图结构及重要字段

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 {
// permits指定初始化信号量个数
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
// ...
}
static final class NonfairSync extends Sync {...}
static final class FairSync extends Sync {...}
// 默认采用非公平策略
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// 可以指定公平策略
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
//...
}

• 基于AQS，类似于ReentrantLock，Sync继承自AQS，有公平策略和非公平策略两种实现。
• 类似于CountDownLatch，state在这里也是通过构造器指定，表示初始化信号量的个数。

void acquire()

调用该方法时，表示希望获取一个信号量资源，相当于 acquire(1) 。

如果当前信号量个数大于0，CAS将当前信号量值减1，成功后直接返回。

如果当前信号量个数等于0，则当前线程将被置入AQS的阻塞队列。

该方法是响应中断的，其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法，将会抛出中断异常返回。

// Semaphore.java
public void acquire() throws InterruptedException {
// 传递的 arg 为 1 ， 获取1个信号量资源
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// AQS.java
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 线程被 中断， 抛出中断异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 子类实现， 公平和非公平两种策略
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 如果获取失败， 则置入阻塞队列，
// 再次进行尝试， 尝试失败则挂起当前线程
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

非公平

static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
// 这里直接调用Sync定义的 非公平共享模式获取方法
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 获取当前信号量的值
int available = getState();
// 减去需要获取的值， 得到剩余的信号量个数
int remaining = available - acquires;
// 不剩了，表示当前信号量个数不能满足需求， 返回负数， 线程置入AQS阻塞
// 还有的剩， CAS设置当前信号量值为剩余值， 并返回剩余值
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}

你会发现，非公平策略是无法保证【AQS队列中阻塞的线程】和【当前线程】获取的顺序的，当前线程是有可能在排队的线程之前就拿到资源，产生插队现象。

公平策略就不一样了，它会通过 hasQueuedPredecessors() 方法看看队列中是否存在前驱节点，以保证公平性。

公平策略

static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 如果队列中在此之前已经有线程在排队了，直接放弃获取
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}

void acquire(int permits)

在acquire()的基础上，指定了获取信号量的数量permits。

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

void acquireUninterruptibly()

该方法与 acquire() 类似，但是不响应中断。

public void acquireUninterruptibly() {
sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}

void acquireUninterruptibly(int permits)

该方法与 acquire(permits) 类似，但是不响应中断。

public void acquireUninterruptibly(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireShared(permits);
}

boolean tryAcquire()

tryAcquire和acquire非公平策略公用一个逻辑，但是区别在于，如果获取信号量失败，或者CAS失败，将会直接返回false，而不会置入阻塞队列中。

一般try开头的方法的特点就是这样，尝试一下，成功是最好，失败也不至于被阻塞，而是立刻返回false。

public boolean tryAcquire() {
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}

boolean tryAcquire(int permits)

相比于普通的 tryAcquire() ，指定了permits的值。

public boolean tryAcquire(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)

相比于 tryAcquire(int permits) ，增加了超时控制。

public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

void release()

将信号量值加1，如果有线程因为调用acquire方法而被阻塞在AQS阻塞队列中，将根据公平策略选择一个信号量个数满足需求的线程唤醒，线程唤醒后也会尝试获取新增的信号量。

参考文章： Java并发包源码学习系列：AQS共享模式获取与释放资源

// Semaphore.java
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
// AQS.java
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 释放成功， 唤醒AQS队列里面最先挂起的线程
// https://blog.csdn.net/Sky_QiaoBa_Sum/article/details/112386838
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
// Semaphore#Sync.java
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 获取当前信号量
int current = getState();
// 期望加上releases
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// CAS操作，更新
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
}

void release(int permits)

和 release() 相比指定了permits的值。

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

其他方法

Semaphore还提供其他一些方法，实现比较简单，这边就简单写一下吧：

// 返回此信号量中当前可用的许可证数量， 其实就是得到当前的 state值  getState()
public int availablePermits() {
return sync.getPermits();
}
// 将state更新为0， 返回0
public int drainPermits() {
return sync.drainPermits();
}
// 减少reduction个许可证
protected void reducePermits(int reduction) {
if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.reducePermits(reduction);
}
// 判断公平策略
public boolean isFair() {
return sync instanceof FairSync;
}
// 判断是否有线程证在等待获取许可证
public final boolean hasQueuedThreads() {
return sync.hasQueuedThreads();
}
// 返回正在等待获取许可证的线程数
public final int getQueueLength() {
return sync.getQueueLength();
}
// 返回所有等待获取许可证的线程集合
protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
return sync.getQueuedThreads();
}

总结

Semaphore信号量用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理地使用公共资源。

• 基于AQS，类似于ReentrantLock，Sync继承自AQS，有公平策略和非公平策略两种实现。
• 类似于CountDownLatch，state在这里也是通过构造器指定，表示初始化信号量的个数。

每次线程调用 tryAcquire() 或者 acquire() 方法都会原子性的递减许可证的数量，release()会原子性递增许可证数量，只要有许可证就可以重复使用。

参考阅读

• 《Java并发编程之美》
• 《Java并发编程的艺术》