死磕Java并发：J.U.C之并发工具类：Semaphore

作者：chenssy

来源：Java技术栈公众号

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（许可书 == 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。

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Semaphore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

1、实现分析

Semaphore结构如下：

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，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

2、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)，该方法以共享模式获取同步状态：

   public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        if (tryAcquireShared(arg) < 0)            doAcquireSharedInterruptibly(arg);    }

在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)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。

3、公平

   protected int tryAcquireShared(int acquires) {        for (;;) {            //判断该线程是否位于CLH队列的列头            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;        }    }

4、非公平

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。

       protected int tryAcquireShared(int acquires) {            return nonfairTryAcquireShared(acquires);        } final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {            for (;;) {                int available = getState();                int remaining = available - acquires;                if (remaining < 0 ||                    compareAndSetState(available, remaining))                    return remaining;            }        }

5、信号量释放

获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore提供release()来释放许可。

   public void release() {        sync.releaseShared(1);    }

内部调用AQS的releaseShared(int arg)：

   public final boolean releaseShared(int arg) {        if (tryReleaseShared(arg)) {            doReleaseShared();            return true;        }        return false;    }

releaseShared(int arg)调用Semaphore内部类Sync的tryReleaseShared(int arg)：

   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;        }    }

6、应用示例

我们已停车为示例：

1. public class SemaphoreTest{

2. static class Parking{

3.    //信号量

4.    private Semaphore semaphore;

5.    Parking(int count){

6.        semaphore = new Semaphore(count);

7.    }

8.    public void park(){

9.        try {

10.            //获取信号量

11.            semaphore.acquire();

12.            long time = (long) (Math.random() * 10);

13.            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场，停车" + time + "秒..." );

14.            Thread.sleep(time);

15.            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");

16.        } catch (InterruptedException e) {

17.            e.printStackTrace();

18.        } finally {

19.            semaphore.release();

20.        }

21.    }

22. }

23. static class Car extends Thread {

24.    Parking parking ;

25.    Car(Parking parking){

26.        this.parking = parking;

27.    }

28.    @Override

29.    public void run() {

30.        parking.park();     //进入停车场

31.    }

32. }

33. public static void main(String[] args){

34.    Parking parking = new Parking(3);

35.    for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){

36.        new Car(parking).start();

37.    }

38. }
    

运行结果如下：

- END -

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