1、简介
- Semaphore，信号量，它保存了一系列的许可（permits），每次调用
acquire()都将消耗一个许可，每次调用release()都将归还一个许可。 - Semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上，也就是常说的限流。
- Semaphore信号量，获取通行证流程图：
2、入门案例
案例1：Pool.java
/**
* date: 2021/5/10
* @author csp
*/
public class Pool {
/**
* 可同时访问资源的最大线程数
*/
private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
/**
* 信号量 表示：可获取的对象通行证
*/
private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);
/**
* 共享资源，可以想象成 items 数组内存储的都是Connection对象 模拟是连接池
*/
protected Object[] items = new Object[MAX_AVAILABLE];
/**
* 共享资源占用情况，与items数组一一对应，比如：
* items[0]对象被外部线程占用，那么 used[0] == true，否则used[0] == false
*/
protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];
/**
* 获取一个空闲对象
* 如果当前池中无空闲对象，则等待..直到有空闲对象为止
*/
public Object getItem() throws InterruptedException {
// 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
available.acquire();
return getNextAvailableItem();
}
/**
* 归还对象到池中
*/
public void putItem(Object x) {
if (markAsUnused(x))
available.release();
}
/**
* 获取池内一个空闲对象，获取成功则返回Object，失败返回Null
* 成功后将对应的 used[i] = true
*/
private synchronized Object getNextAvailableItem() {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (!used[i]) {
used[i] = true;
return items[i];
}
}
return null;
}
/**
* 归还对象到池中，归还成功返回true
* 归还失败：
* 1.池中不存在该对象引用，返回false
* 2.池中存在该对象引用，但该对象目前状态为空闲状态，也返回false
*/
private synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if (item == items[i]) {
if (used[i]) {
used[i] = false;
return true;
} else
return false;
}
}
return false;
}
}
案例2：SemaphoreTest02.java
/**
* date: 2020/5/10
* @author csp
*/
public class SemaphoreTest02 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 声明信号量，初始的许可（permits）为2
// 公平模式：fair为true
final Semaphore semaphore = new Semaphore(2, true);
Thread tA = new Thread(() ->{
try {
// 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
semaphore.acquire();
System.out.println("线程A获取通行证成功");
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
}finally {
// 每次调用release()都将归还一个许可（permits）
semaphore.release();
}
});
tA.start();
// 确保线程A已经执行
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
Thread tB = new Thread(() ->{
try {
// 调用acquire(2)都将消耗2个许可（permits）
semaphore.acquire(2);
System.out.println("线程B获取通行证成功");
} catch (InterruptedException e) {
}finally {
// 调用release(2)都将归还2个许可（permits）
semaphore.release(2);
}
});
tB.start();
// 确保线程B已经执行
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
Thread tC = new Thread(() ->{
try {
// 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
semaphore.acquire();
System.out.println("线程C获取通行证成功");
} catch (InterruptedException e) {
}finally {
// 每次调用release()都将归还一个许可（permits）
semaphore.release();
}
});
tC.start();
}
}
执行结果：
线程A获取通行证成功
线程B获取通行证成功
线程C获取通行证成功
3、源码分析
内部类Sync
- 通过Sync的几个实现方法，我们获取到以下几点信息：
- 许可是在构造方法时传入的；
- 许可存放在状态变量state中；
- 尝试获取一个许可的时候，则state的值减1；
- 当state的值为0的时候，则无法再获取许可；
- 释放一个许可的时候，则state的值加1；
- 许可的个数可以动态改变；
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
// 构造方法，传入许可次数，放入state中
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
// 获取许可次数
final int getPermits() {
return getState();
}
// 非公平模式尝试获取许可
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 先看看还有几个许可
int available = getState();
// 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可
int remaining = available - acquires;
// 如果剩余许可小于0了则直接返回
// 如果剩余许可不小于0，则尝试原子更新state的值，成功了返回剩余许可
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
// 释放许可
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 先看看还有几个许可
int current = getState();
// 加上这次释放的许可
int next = current + releases;
// 检测溢出
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// 如果原子更新state的值成功，就说明释放许可成功，则返回true
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
// 减少许可
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
// 先看看还有几个许可
int current = getState();
// 减去将要减少的许可
int next = current - reductions;
// 检测溢出
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
// 原子更新state的值，成功了返回true
if (compareAndSetState(current, next))
return;
}
}
// 销毁许可
final int drainPermits() {
for (;;) {
// 先看看还有几个许可
int current = getState();
// 如果为0，直接返回
// 如果不为0，把state原子更新为0
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
return current;
}
}
}
内部类NonfairSync
非公平模式下，直接调用父类的nonfairTryAcquireShared()尝试获取许可。
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
// 构造方法，调用父类的构造方法
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
// 尝试获取许可，调用父类的nonfairTryAcquireShared()方法
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}
内部类FairSync
公平模式下，先检测前面是否有排队的，如果有排队的则获取许可失败，进入队列排队，否则尝试原子更新state的值。
**注意：**为了阅读方便，该内部类中将一些AQS中的方法粘贴过来了，在方法头注释加有标注！
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
/**
* 该方法位于AQS中：
* 尝试获取通行证，获取成功返回 >= 0的值;
* 获取失败 返回 < 0 值
*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 判断当前 AQS 阻塞队列内 是否有等待者线程，如果有直接返回-1，表示当前aquire操作的线程需要进入到队列等待..
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
// 执行到这里，有哪几种情况？
// 1.调用aquire时 AQS阻塞队列内没有其它等待者
// 2.当前节点 在阻塞队列内是headNext节点
// 获取state ，state这里表示 通行证
int available = getState();
// remaining 表示当前线程 获取通行证完成之后，semaphore还剩余数量
int remaining = available - acquires;
// 条件一：remaining < 0 成立，说明线程获取通行证失败..
// 条件二：前置条件，remaning >= 0, CAS更新state 成功，说明线程获取通行证成功，CAS失败，则自旋。
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
/**
* 该方法位于AQS中：
*/
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 条件成立：说明当前调用acquire方法的线程 已经是 中断状态了,直接抛出异常..
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 对应业务层面 执行任务的线程已经将latch打破了。然后其他再调用latch.await的线程，就不会在这里阻塞了
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
/**
* 该方法位于AQS中：
*/
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 将调用Semaphore.aquire方法的线程 包装成node加入到 AQS的阻塞队列当中。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 获取当前线程节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
// 条件成立，说明当前线程对应的节点 为 head.next节点
if (p == head) {
// head.next节点就有权利获取 共享锁了..
int r = tryAcquireShared(arg);
// 站在Semaphore角度：r 表示还剩余的通行证数量
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// shouldParkAfterFailedAcquire 会给当前线程找一个好爸爸，最终给爸爸节点设置状态为 signal（-1），返回true
// parkAndCheckInterrupt 挂起当前节点对应的线程...
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
/**
* 该方法位于AQS中：
* 设置当前节点为 head节点，并且向后传播！（依次唤醒！）
*/
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
// 将当前节点设置为 新的 head节点。
setHead(node);
// 调用setHeadAndPropagete 时 propagate == 1 一定成立
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
// 获取当前节点的后继节点..
Node s = node.next;
// 条件一：s == null 什么时候成立呢？ 当前node节点已经是 tail了，条件一会成立。 doReleaseShared() 里面会处理这种情况..
// 条件二：前置条件，s != null ， 要求s节点的模式必须是 共享模式。 latch.await() -> addWaiter(Node.SHARED)
if (s == null || s.isShared())
// 基本上所有情况都会执行到 doReleasseShared() 方法。
doReleaseShared();
}
}
//AQS.releaseShared 该方法位于AQS中：
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 条件成立：表示当前线程释放资源成功，释放资源成功后，去唤醒获取资源失败的线程..
if (tryReleaseShared(arg)) {
// 唤醒获取资源失败的线程...
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
/**
* 唤醒获取资源失败的线程
*
* CountDownLatch版本
* 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢？
* 1.latch.countDown() -> AQS.state == 0 -> doReleaseShared() 唤醒当前阻塞队列内的 head.next 对应的线程。
* 2.被唤醒的线程 -> doAcquireSharedInterruptibly parkAndCheckInterrupt() 唤醒 -> setHeadAndPropagate() -> doReleaseShared()
*
* Semaphore版本
* 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢？
*
*/
//AQS.doReleaseShared 该方法位于AQS中：
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
// 获取当前AQS 内的 头结点
Node h = head;
// 条件一：h != null 成立，说明阻塞队列不为空..
// 不成立：h == null 什么时候会是这样呢？
// latch创建出来后，没有任何线程调用过 await() 方法之前，有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..
// 条件二：h != tail 成立，说明当前阻塞队列内，除了head节点以外 还有其他节点。
// h == tail -> head 和 tail 指向的是同一个node对象。 什么时候会有这种情况呢？
// 1. 正常唤醒情况下，依次获取到 共享锁，当前线程执行到这里时 （这个线程就是 tail 节点。）
// 2. 第一个调用await()方法的线程 与 调用countDown()且触发唤醒阻塞节点的线程 出现并发了..
// 因为await()线程是第一个调用 latch.await()的线程，此时队列内什么也没有，它需要补充创建一个Head节点，然后再次自旋时入队
// 在await()线程入队完成之前，假设当前队列内 只有 刚刚补充创建的空元素 head 。
// 同期，外部有一个调用countDown()的线程，将state 值从1，修改为0了，那么这个线程需要做 唤醒 阻塞队列内元素的逻辑..
// 注意：调用await()的线程 因为完全入队完成之后，再次回到上层方法 doAcquireSharedInterruptibly 会进入到自旋中，
// 获取当前元素的前驱，判断自己是head.next， 所以接下来该线程又会将自己设置为 head，然后该线程就从await()方法返回了...
if (h != null && h != tail) {
// 执行到if里面，说明当前head 一定有 后继节点!
int ws = h.waitStatus;
// 当前head状态 为 signal 说明 后继节点并没有被唤醒过呢...
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 唤醒后继节点前 将head节点的状态改为 0
// 这里为什么，使用CAS呢？ 回头说...
// 当doReleaseShared方法 存在多个线程 唤醒 head.next 逻辑时，
// CAS 可能会失败...
// 案例：
// t3 线程在if(h == head) 返回false时，t3 会继续自旋. 参与到 唤醒下一个head.next的逻辑..
// t3 此时执行到 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 成功.. t4 在t3修改成功之前，也进入到 if (ws == Node.SIGNAL) 里面了，
// 但是t4 修改 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 会失败，因为 t3 改过了...
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
// 唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
// 条件成立：
// 1.说明刚刚唤醒的 后继节点，还没执行到 setHeadAndPropagate方法里面的 设置当前唤醒节点为head的逻辑。
// 这个时候，当前线程 直接跳出去...结束了..
// 此时用不用担心，唤醒逻辑 在这里断掉呢？、
// 不需要担心，因为被唤醒的线程 早晚会执行到doReleaseShared方法。
// 2.h == null latch创建出来后，没有任何线程调用过 await() 方法之前，
// 有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..
// 3.h == tail -> head 和 tail 指向的是同一个node对象
// 条件不成立：
// 被唤醒的节点 非常积极，直接将自己设置为了新的head，此时 唤醒它的节点（前驱），执行h == head 条件会不成立..
// 此时 head节点的前驱，不会跳出 doReleaseShared 方法，会继续唤醒 新head 节点的后继...
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
}
构造方法
创建Semaphore时需要传入许可次数。Semaphore默认也是非公平模式，但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。
// 构造方法，创建时要传入许可次数，默认使用非公平模式
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// 构造方法，需要传入许可次数，及是否公平模式
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
acquire()方法
获取一个许可，默认使用的是可中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 获取一个许可，非中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。
public void acquireUninterruptibly() {
sync.acquireShared(1);
}
acquire(int permits)方法
一次获取多个许可，可中断方式。
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
// 一次获取多个许可，非中断方式。
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireShared(permits);
}
tryAcquire()方法
尝试获取一个许可，使用Sync的非公平模式尝试获取许可方法，不论是否获取到许可都返回，只尝试一次，不会进入队列排队。
public boolean tryAcquire() {
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
// 尝试获取一个许可，先尝试一次获取许可，如果失败则会等待timeout时间，这段时间内都没有获取到许可，则返回false，否则返回true；
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
release()方法
释放一个许可，释放一个许可时state的值会加1，并且会唤醒下一个等待获取许可的线程。
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
release(int permits)方法
一次释放多个许可，state的值会相应增加permits的数量。
public void release(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.releaseShared(permits);
}
4、小结
- Semaphore，也叫信号量，通常用于控制同一时刻对共享资源的访问上，也就是限流场景；
- Semaphore的内部实现是基于AQS的共享锁来实现的；
- Semaphore初始化的时候需要指定许可的次数，许可的次数是存储在state中；
- 获取一个许可时，则state值减1；
- 释放一个许可时，则state值加1；
