Semaphore信号量源码解读与使用

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1. 前言

2. 什么是Semaphore？

3. Semaphore源码解读

3.1 acquire():获取许可

3.2 release():释放许可

4. Semaphore的使用

5. 总结

1. 前言

在前面的文章我们讲解了CountDownLatch倒计时器的基本使用，本节我们继续来学习Java多线程编程中的一个工具类Semaphore信号量。

2. 什么是Semaphore？

Semaphore 是一个在多线程环境中用于控制对共享资源的访问的同步器（synchronizer），它是 Java 5 中引入的 java.util.concurrent（JUC）包的一部分。Semaphore 维护了一个许可集，线程在执行前必须从 Semaphore 获取一个许可。如果没有许可可用，线程将阻塞等待，直到其他线程释放许可。可以用来限制数据库连接数、限制服务器可处理请求数等。

3. Semaphore源码解读

我们跟进信号量的源码中浏览一圈，发现其实它内部主要的方法就2个：

// 初始共享资源数量
final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
// 获取1个许可
semaphore.acquire();
// 释放1个许可
semaphore.release();

3.1 acquire():获取许可

/**
 *  获取1个许可证
 */
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

跟进这个方法后，我们会发现其内部调用了AQS的一个final 方法acquireSharedInterruptibly()，

/**
 * 共享模式下获取许可证，获取成功则返回，失败则加入阻塞队列，挂起线程
 */
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
      throw new InterruptedException();
        // 尝试获取许可证，arg为获取许可证个数，当可用许可证数减当前获取的许可证数结果小于0,则创建一个节点加入阻塞队列，挂起当前线程。
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
      doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

我们可以发现这个方法中又调用了tryAcquireShared(arg)方法，作为AQS中的钩子方法，这个方法的实现在Semaphore的两个静态内部类 FairSync（公平模式） 和 NonfairSync（非公平模式） 中。虽然这个方法在AQS中，但它作为钩子方法，最终的实现则回到了Semaphore的内部类中。

我们接下来继续查看在 FairSync（公平模式）中的tryAcquireShared方法

static final class FairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

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

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                // 获取可用的许可数
                int available = getState();
                // 计算扣减后的许可数
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    }

这里就是获取剩余的许可数值，然后计算扣减后的许可数值，如果扣减后的值小于0，就会直接返回扣减数(||短路或，前者满足就不用判断后者了)。否认就会执行CAS操作compareAndSetState(available, remaining)扣减许可数的值。

这里我们就可知，Semaphore信号量的许可数是存放在AQS中的state变量中的(AQS源码我后续应该也会发文讲解)，然后通过CAS来修改state的值，保证了操作的原子性。

3.2 release():释放许可

同样跟入这个方法，里面用了AQS的releaseShared()，而在这个方法内也毫无疑问的用了tryReleaseShared(int arg)这个钩子方法，原理同上，不再冗释，需要注意的是释放共享锁(也就是增加许可数state的值)的同时也会唤醒同步队列中的一个线程。

// 释放一个许可证
public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

// 释放共享锁，同时会唤醒同步队列中的一个线程。
public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 尝试释放共享锁(增加许可数)
    if (tryReleaseShared(arg)) {
      //唤醒同步队列中的一个线程
      doReleaseShared();
      return true;
    }
    return false;
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current + releases;
                // 溢出情况判断
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
      }

4. Semaphore的使用

OK，讲到这里，把信号量中主要的方法解释完了，我们来写一个小demo感受一下它的使用：

public class Test {
    private final Semaphore semaphore;

    /*构造一个令牌*/
    public Test(int acq){
        this.semaphore= new Semaphore(acq);
    }
    public void useSemaphore(){
        try {
            semaphore.acquire();
            // 使用资源
            System.out.println("资源使用 " + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(1000); // 模拟资源使用时间
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release();
            System.out.println("资源释放 " + Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test(3);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(test::useSemaphore).start();
        }
    }
}

输出：

资源使用 Thread-0
资源使用 Thread-1
资源使用 Thread-3
资源释放 Thread-0
资源使用 Thread-2
资源使用 Thread-4
资源释放 Thread-1
资源释放 Thread-3
资源释放 Thread-4
资源释放 Thread-2

5. 总结

Semaphore是基于AQS和CAS操作实现的共享锁，利用AQS中被volatile修饰的变量state来代表许可证数(permit)，当用户调用acquire()方法来获取许可证数时，他会计算出本次取出操作后的许可证数，如果小于0，那么就会挂起等待，如果大于0，也就是许可证数还够用，那么就会使用CAS操作修改许可证数。当调用release()方法释放许可证数时，会唤醒等待的线程去获取共享锁。

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