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Semaphore概述及案例學(xué)習(xí)

Semaphore信號(hào)量用來控制同時(shí)訪問特定資源的線程數(shù)量，它通過協(xié)調(diào)各個(gè)線程，以保證合理地使用公共資源。

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個(gè)許可證數(shù)量,最大并發(fā)數(shù)為10

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i ++){ //執(zhí)行30個(gè)線程
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    s.tryAcquire(); //嘗試獲取一個(gè)許可證
                    System.out.println("save data");
                    s.release(); //使用完之后歸還許可證
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

創(chuàng)建一個(gè)大小為30的線程池，但是信號(hào)量規(guī)定在10，保證許可證數(shù)量為10。
每次線程調(diào)用tryAcquire()或者acquire()方法都會(huì)原子性的遞減許可證的數(shù)量，release()會(huì)原子性遞增許可證數(shù)量。

類圖結(jié)構(gòu)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指定初始化信號(hào)量個(gè)數(shù)
        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }
        // ...
    }
    
    static final class NonfairSync extends Sync {...}
    
    static final class FairSync extends Sync {...}
    
    // 默認(rèn)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，類似于ReentrantLock，Sync繼承自AQS，有公平策略和非公平策略兩種實(shí)現(xiàn)。
類似于CountDownLatch，state在這里也是通過構(gòu)造器指定，表示初始化信號(hào)量的個(gè)數(shù)。

本篇文章閱讀需要建立在一定的AQS基礎(chǔ)之上，這邊推薦幾篇前置文章，可以瞅一眼：
Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：AbstractQueuedSynchronizer
Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：CLH同步隊(duì)列及同步資源獲取與釋放
Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：AQS共享式與獨(dú)占式獲取與釋放資源的區(qū)別
Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：詳解Condition條件隊(duì)列、signal和await
Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：掛起與喚醒線程LockSupport工具類

void acquire()

調(diào)用該方法時(shí)，表示希望獲取一個(gè)信號(hào)量資源，相當(dāng)于acquire(1)。

如果當(dāng)前信號(hào)量個(gè)數(shù)大于0，CAS將當(dāng)前信號(hào)量值減1，成功后直接返回。

如果當(dāng)前信號(hào)量個(gè)數(shù)等于0，則當(dāng)前線程將被置入AQS的阻塞隊(duì)列。

該方法是響應(yīng)中斷的，其他線程調(diào)用了該線程的interrupt()方法，將會(huì)拋出中斷異常返回。

    // Semaphore.java
	public void acquire() throws InterruptedException {
        // 傳遞的 arg 為 1 ， 獲取1個(gè)信號(hào)量資源
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
	// AQS.java
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        // 線程被 中斷， 拋出中斷異常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 子類實(shí)現(xiàn)， 公平和非公平兩種策略
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            // 如果獲取失敗， 則置入阻塞隊(duì)列， 
            // 再次進(jìn)行嘗試， 嘗試失敗則掛起當(dāng)前線程
            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) {
            // 這里直接調(diào)用Sync定義的 非公平共享模式獲取方法
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }
    }

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                // 獲取當(dāng)前信號(hào)量的值
                int available = getState();
                // 減去需要獲取的值， 得到剩余的信號(hào)量個(gè)數(shù)
                int remaining = available - acquires;
                // 不剩了，表示當(dāng)前信號(hào)量個(gè)數(shù)不能滿足需求， 返回負(fù)數(shù)， 線程置入AQS阻塞
                // 還有的剩， CAS設(shè)置當(dāng)前信號(hào)量值為剩余值， 并返回剩余值
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    }

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，非公平策略是無法保證【AQS隊(duì)列中阻塞的線程】和【當(dāng)前線程】獲取的順序的，當(dāng)前線程是有可能在排隊(duì)的線程之前就拿到資源，產(chǎn)生插隊(duì)現(xiàn)象。

公平策略就不一樣了，它會(huì)通過hasQueuedPredecessors()方法看看隊(duì)列中是否存在前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，以保證公平性。

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 (;;) {
                // 如果隊(duì)列中在此之前已經(jīng)有線程在排隊(duì)了，直接放棄獲取
                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()的基礎(chǔ)上，指定了獲取信號(hào)量的數(shù)量permits。

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

void acquireUninterruptibly()

該方法與acquire()類似，但是不響應(yīng)中斷。

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

void acquireUninterruptibly(int permits)

該方法與acquire(permits)類似，但是不響應(yīng)中斷。

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

boolean tryAcquire()

tryAcquire和acquire非公平策略公用一個(gè)邏輯，但是區(qū)別在于，如果獲取信號(hào)量失敗，或者CAS失敗，將會(huì)直接返回false，而不會(huì)置入阻塞隊(duì)列中。

一般try開頭的方法的特點(diǎn)就是這樣，嘗試一下，成功是最好，失敗也不至于被阻塞，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)，增加了超時(shí)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()

將信號(hào)量值加1，如果有線程因?yàn)檎{(diào)用acquire方法而被阻塞在AQS阻塞隊(duì)列中，將根據(jù)公平策略選擇一個(gè)信號(hào)量個(gè)數(shù)滿足需求的線程喚醒，線程喚醒后也會(huì)嘗試獲取新增的信號(hào)量。

參考文章：Java并發(fā)包源碼學(xué)習(xí)系列：AQS共享模式獲取與釋放資源

    // Semaphore.java
	public void release() {
        sync.releaseShared(1);
    }
	// AQS.java
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        // 嘗試釋放鎖
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            // 釋放成功， 喚醒AQS隊(duì)列里面最先掛起的線程
            // 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 (;;) {
                // 獲取當(dāng)前信號(hào)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還提供其他一些方法，實(shí)現(xiàn)比較簡單，這邊就簡單寫一下吧：

    // 返回此信號(hào)量中當(dāng)前可用的許可證數(shù)量， 其實(shí)就是得到當(dāng)前的 state值  getState()
	public int availablePermits() {
        return sync.getPermits();
    }

    // 將state更新為0， 返回0
    public int drainPermits() {
        return sync.drainPermits();
    }

	// 減少reduction個(gè)許可證
    protected void reducePermits(int reduction) {
        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.reducePermits(reduction);
    }

    // 判斷公平策略
    public boolean isFair() {
        return sync instanceof FairSync;
    }

	// 判斷是否有線程證在等待獲取許可證
    public final boolean hasQueuedThreads() {
        return sync.hasQueuedThreads();
    }

	// 返回正在等待獲取許可證的線程數(shù)
    public final int getQueueLength() {
        return sync.getQueueLength();
    }

	// 返回所有等待獲取許可證的線程集合
    protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {
        return sync.getQueuedThreads();
    }

總結(jié)

Semaphore信號(hào)量用來控制同時(shí)訪問特定資源的線程數(shù)量，它通過協(xié)調(diào)各個(gè)線程，以保證合理地使用公共資源。

基于AQS，類似于ReentrantLock，Sync繼承自AQS，有公平策略和非公平策略兩種實(shí)現(xiàn)。
類似于CountDownLatch，state在這里也是通過構(gòu)造器指定，表示初始化信號(hào)量的個(gè)數(shù)。

每次線程調(diào)用tryAcquire()或者acquire()方法都會(huì)原子性的遞減許可證的數(shù)量，release()會(huì)原子性遞增許可證數(shù)量，只要有許可證就可以重復(fù)使用

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同步組件Semaphore源碼解析

Semaphore概述及案例學(xué)習(xí)

類圖結(jié)構(gòu)及重要字段

void acquire()

非公平

公平策略

void acquire(int permits)

void acquireUninterruptibly()

void acquireUninterruptibly(int permits)

boolean tryAcquire()

boolean tryAcquire(int permits)

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

void release()

void release(int permits)

其他方法

總結(jié)

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Semaphore概述及案例學(xué)習(xí)

類圖結(jié)構(gòu)及重要字段

void acquire()

非公平

公平策略

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void acquireUninterruptibly()

void acquireUninterruptibly(int permits)

boolean tryAcquire()

boolean tryAcquire(int permits)

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

void release()

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