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作为「小明哥」的忠实读者,「老艿艿」略作修改,记录在理解过程中,参考的资料。


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1. 简介

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(许可数 == 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。
  • 信号量 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S emaphore 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 。

2. 实现分析

java.util.concurrent.Semaphore 结构如下图:

Semaphore 结构

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:

  1. Semaphore(int permits) :创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore 。
  2. 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:1)当 =1 时表示,其他线程可以获取;2)当 =0 时,排他,即其他线程必须要等待。
  • 🙂 Semaphore 的代码实现结构,和 ReentrantLock 类似。

2.1 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) 方法,该方法以共享模式获取同步状态。代码如下:

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
    throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
    doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    • #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法中,会调用 #tryAcquireShared(int arg) 方法。而 #tryAcquireShared(int arg) 方法,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。若 #tryAcquireShared(int arg) 方法返回 < 0 时,则会阻塞等待,从而实现 Semaphore 信号量不足时的阻塞,代码如下:

      // AQS.java
      private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
      throws InterruptedException {
      final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
      boolean failed = true;
      try {
      for (;;) {
      final Node p = node.predecessor();
      if (p == head) {
      int r = tryAcquireShared(arg);
      if (r >= 0) {
      setHeadAndPropagate(node, r);
      p.next = null; // help GC
      failed = false;
      return;
      }
      }
      /**
      * 对于 Semaphore 而言,如果 tryAcquireShared 返回小于 0 时,则会阻塞等待。
      */
      if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
      parkAndCheckInterrupt())
      throw new InterruptedException();
      }
      } finally {
      if (failed)
      cancelAcquire(node);
      }
      }
      • 老艿艿:另外,这也是为什么 Semaphore 在使用 AQS 时,state 代表的是,剩余可获取的许可数,而不是已经使用的许可数。我们假设 state 代表的是已经使用的许可数,那么 #tryAcquireShared(int arg) 返回的结果 = 原始许可数 - state ,这个操作在并发情况下,会存在线程不安全的问题。所以,state 代表的是,剩余可获取的许可数,而不是已经使用的许可数
    • 公平情况的 FairSync 的方法实现,代码如下:

      // FairSync.java
      @Override
      protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      for (;;) {
      //判断该线程是否位于CLH队列的列头,从而实现公平锁
      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;
      }
      }
      • 通过 #hasQueuedPredecessors() 方法,判断该线程是否位于 CLH 队列的列头,从而实现公平锁。
    • 非公平情况的 NonfairSync 的方法实现,代码如下:

      // NonfairSync.java
      protected int tryAcquireShared(int acquires) {
      return nonfairTryAcquireShared(acquires);
      }

      // Sync.java
      final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
      for (;;) {
      int available = getState();
      int remaining = available - acquires;
      if (remaining < 0 ||
      compareAndSetState(available, remaining))
      return remaining;
      }
      }
      • 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。

2.2 信号量释放

获取了许可,当用完之后就需要释放,Semaphore 提供 #release() 方法,来释放许可。代码如下:

public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
  • 内部调用 AQS 的 #releaseShared(int arg) 方法,释放同步状态。

    // AQS.java
    public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
    doReleaseShared();
    return true;
    }
    return false;
    }
    • releaseShared(int arg) 方法,会调用 Semaphore 内部类 Sync 的 #tryReleaseShared(int arg) 方法,释放同步状态。

      // Sync.java
      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;
      }
      }

2.3 其他方法

本文有部分方法并未解析,因为比较简单,胖友可以自己研究。

Semaphore :

  • #acquireUninterruptibly()
  • #tryAcquire()
  • #tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
  • #acquire(int permits)
  • #acquireUninterruptibly(int permits)
  • #tryAcquire(int permits)
  • #tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
  • #availablePermits()
  • #drainPermits()
  • #reducePermits(int reduction)
  • #isFair()
  • #hasQueuedThreads()
  • #getQueueLength()
  • #getQueuedThreads()

Sync :

  • #reducePermits(int reductions)
  • #drainPermits()

3. 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:

201702170002

参考资料

  1. 方腾飞:《Java并发编程的艺术》的 「8.3 控制并发线程数的 Semaphore」 章节

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文章目录
  1. 1. 1. 简介
  2. 2. 2. 实现分析
    1. 2.1. 2.1 信号量获取
    2. 2.2. 2.2 信号量释放
    3. 2.3. 2.3 其他方法
  3. 3. 3. 应用示例
  4. 4. 参考资料
  5. 5. 666. 彩蛋