JUC锁框架——Semaphore

时间 2019-11-17

标签 juc 框架 semaphore 栏目 Java 繁體版

原文原文链接

Semaphore简单介绍

Semaphore是计数信号量。Semaphore管理一系列许可证。每一个acquire方法阻塞，直到有一个许可证能够得到而后拿走一个许可证；每一个release方法增长一个许可证，这可能会释放一个阻塞的acquire方法。然而，其实并无实际的许可证这个对象，Semaphore只是维持了一个可得到许可证的数量。java

Semaphore的简单示例

Semaphore常常用于限制获取某种资源的线程数量。下面举个例子，好比说操场上有5个跑道，一个跑道一次只能有一个学生在上面跑步，一旦全部跑道在使用，那么后面的学生就须要等待，直到有一个学生不跑了，下面是这个例子：ui

public class Playground {
    private String[] tracks = {"跑道1","跑道2","跑道3","跑道4","跑道5"};//一共有5个跑道
    private volatile boolean[] used = new boolean[5];//标记跑道是否被占用

    private Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);

    //获取一个跑道
    public String getTrack() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire(1);
        return getNextAvailableTrack();
    }

    //返回一个跑道
    public void releaseTrack(String track) {
        if (makeAsUnused(track))
            semaphore.release(1);
    }

    //遍历，找到一个没人用的跑道
    private String getNextAvailableTrack() {
        for (int i = 0; i < used.length; i++) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return tracks[i];
            }
        }
        return null;
    }

    //释放跑道，将使用标志设置为false
    private boolean makeAsUnused(String track) {
        for (int i = 0; i < used.length; i++) {
            if (tracks[i].equals(track)) {
                if (used[i]) {
                    used[i] = false;
                    return true;
                } else {
                    return false;
                }
            }
        }
        return false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Playground playground = new Playground();
        Runnable runnable = ()->{
            try {
                String track = playground.getTrack();//获取跑道
                if (track != null) {
                    System.out.println("学生" + Thread.currentThread().getId() + "在" + track.toString() + "上跑步");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    System.out.println("学生" + Thread.currentThread().getId() + "释放" + track.toString());
                    playground.releaseTrack(track);//释放跑道
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executor.execute(runnable);
        }
    }
}

Semaphore的源码解析

semaphore的构造方法

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);//提供许可数量，默认为非公平模式
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    //提供许可数量，指定是否为公平模式
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Sync类

Semaphore内部基于AQS的共享模式，因此实现都委托给了Sync类。.net

NonfairSync(int permits) {
    super(permits);
}

Sync(int permits) {
    setState(permits);//AQS的state表示许可证的数量
}

Semaphore的acquire获取许可方法

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

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //若是线程被中断了，抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //获取许可失败，将线程加入到等待队列中
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

NonfairSync中tryAcquireShared方法的实现

AQS子类若是要使用共享模式的话，须要实现tryAcquireShared方法，下面看NonfairSync的该方法实现：线程

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

该方法调用了父类中的nonfairTyAcquireShared方法，以下：code

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //获取剩余许可数量
        int available = getState();
        //计算给完此次许可数量后的个数
        int remaining = available - acquires;
        //若是许可不够(获取许可失败)或者能够将许可数量重置（获取许可成功）的话，返回。
        //只有在许可不够时返回值才会小于0，其他返回的都是剩余许可数量，这也就解释了，一旦许可不够，后面的线程将会阻塞。
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

FairSync中tryAcquireShared方法的实现

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //若是前面有线程再等待，直接返回-1
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        //后面与非公平同样
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

FairSync与NonFairSync的区别就在于会首先判断当前队列中有没有线程在等待，若是有，就老老实实进入到等待队列；而不像NonfairSync同样首先试一把，说不定就刚好得到了一个许可，这样就能够插队了。对象

Semaphore的release()释放许可方法

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

releaseShared方法在AQS中，以下：blog

public final boolean releaseShared(int arg) {
    //若是改变许可数量成功
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();//一旦CAS改变许可数量成功，就调用该方法释放阻塞的线程。
        return true;
    }
    return false;
}

AQS子类实现共享模式的类须要实现tryReleaseShared类来判断是否释放成功，实现以下：队列

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        //获取当前许可数量
        int current = getState();
        //计算回收后的数量
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        //CAS改变许可数量成功，返回true
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

Semaphore的reducePermits减少许可数量方法

protected void reducePermits(int reduction) {
    if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.reducePermits(reduction);
}

能够看到，委托给了Sync，Sync的reducePermits方法以下：资源

final void reducePermits(int reductions) {
    for (;;) {
        //获得当前剩余许可数量
        int current = getState();
        //获得减完以后的许可数量
        int next = current - reductions;
        if (next > current) // underflow
            throw new Error("Permit count underflow");
        //若是CAS改变成功
        //CAS改变AQS中的state变量，由于该变量表明许可证的数量。
        if (compareAndSetState(current, next))
            return;
    }
}

Semaphore的drainPermits获取剩余许可数量

Semaphore还能够一次将剩余的许可数量所有取走，该方法是drain方法，以下：rem

public int drainPermits() {
    return sync.drainPermits();
}

Sync的实现以下：

final int drainPermits() {
     for (;;) {
         int current = getState();
         if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))//CAS将许可数量置为0。
             return current;
     }
 }

总结

Semaphore是信号量，用于管理一组资源。其内部是基于AQS的共享模式，AQS的状态表示许可证的数量，在许可证数量不够时，线程将会被挂起；而一旦有一个线程释放一个资源，那么就有可能从新唤醒等待队列中的线程继续执行。

参考地址：

http://www.javashuo.com/article/p-pspjmtdv-hu.html