【并发编程】Semaphore 源码分析

今天药忘吃喽~ 2022-03-19 02:16 256阅读 0赞

# 前言 #

Github：[https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading][https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]（java-concurrent）

# 一 原理 #

Semaphore（信号量），内部维护一组许可证，通过 acquire 方法获取许可证，如果获取不到，则阻塞；

通过 release 释放许可，即添加许可证。许可证其实是 Semaphore 中维护的一个 volatile 整型 state 变量，

初始化的时候定义一个数量，获取时减少，释放时增加，一直都是在操作 state。

Semaphore 内部基于 [AQS][] (同步器) 实现了公平或分公平两种方式获取资源。

Semaphore 主要用于限制线程数量、一些公共资源的访问。

下面通过实例体验 Semaphore 的含义，然后在从源码角度分析（jdk1.8）Semaphore 的实现原理。

# 二 实例 #

## 1、实例场景 ##

公司每层楼都有一个卫生间，每个卫生间有5个大号坑！

卫生间是公共资源，这里用 Semaphore 来模拟现实的排队上厕所这件事情。

**1）通过 acquire 获取锁**

卫生间有 5 个坑，通过 acquire 来获取坑，获取到就用，如果没有获取到就阻塞，就憋着，排队等待，

总不能踹开门把人家拽出来吧，我们都是文明人。

**2）通过 release 释放锁**

上完厕所的人通过 release 释放坑，资源就让出来了，然后排队等待的人通过 acquire 尝试去获取资源上厕所，

获取不到的还是耐心等待。

**3）Semphore 公平或非公平获取资源**

这个例子举到这个地方，顺便把 Semphore 的公平或不公平获取资源分析下。

Semaphore 两个构造器：

public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    
    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

从代码可以清晰的看到，默认是非公平，fair 传 true 就是公平。

公平：就是一个人来了看到前面有人排队，就老老实实的跟着排。

非公平：就是一个人来了不看是否有排队，非得直接奔着坑去，拉一下门，发现都有人，然后老老实实的去队尾跟着排队。

**区别：**公平就是看到有人排队直接老实参与排队，非公平就是不看是否有排队，先去试一下，没资源再老老实实的排队。

## 2、实例代码 ##

**定义一个厕所类，里面通过Semaphore设置了5个坑：**

package com.jpeony.concurrent.semaphore;
    
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    /**
     * 卫生间有5个坑
     *
     * @author yihonglei
     */
    public class Toilet {
        /**
         * 5个固定的茅坑
         */
        private static Semaphore semaphore = new Semaphore(5, true);
    
        /**
         * 茅坑
         */
        static class Pit {
            private String desc;
    
            public String getDesc() {
                return desc;
            }
    
            public void setDesc(String desc) {
                this.desc = desc;
            }
        }
    
        /**
         * 获取一个坑
         */
        public Pit getPit() throws InterruptedException {
            semaphore.acquire();
    
            Pit pit = new Pit();
            pit.setDesc("<<<获得坑了>>>");
            return pit;
        }
    
        /**
         * 释放一个坑
         */
        public Pit releasePit() {
            semaphore.release();
    
            Pit pit = new Pit();
            pit.setDesc("@@@释放了坑@@@");
            return pit;
        }
    }

**定义一个上厕所的线程，表示谁上厕所：**

package com.jpeony.concurrent.semaphore;
    
    /**
     * 大便！！！（画面感很强！）
     *
     * @author yihonglei
     */
    public class ShiftThread extends Thread {
        private Toilet toilet;
        private Integer num;
    
        public ShiftThread(Toilet toilet, Integer num) {
            this.toilet = toilet;
            this.num = num;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获得坑
                Toilet.Pit pitAcquire = toilet.getPit();
                System.out.println("序号：" + num + "， " +pitAcquire.getDesc());
                // 解决大号
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 释放坑
                Toilet.Pit pitRelealse = toilet.releasePit();
                System.out.println("序号：" + num + "， " + pitRelealse.getDesc());
            }
        }
    }

**测试代码：**

package com.jpeony.concurrent.semaphore;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    /**
     * Semaphore（信号量）测试
     *
     * @author yihonglei
     */
    public class SemaphoreTest {
        public static void main(String[] args) {
            try {
                Toilet toilet = new Toilet();
                ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
                for (int i = 1; i <= 30; i++) {
                    executorService.execute(new ShiftThread(toilet, i));
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

**程序分析：**

一开始 5 个坑都是空的，会有 5 个人先后获取了坑，其它的耐心等待，当某一个空出来的时候，

再按排队的顺序接着上，然后就是重复获取资源和释放资源的过程，但是最多只能同时有 5 个人在坑里。

这就是控制对公共资源的访问，因为很多资源是有限的，有限的资源就不能过度使用，否则就乱了，

你不能一个坑里蹲两人吧，如果有两个人，哪绝对不是在上厕所，而是在干别的，干啥就不知道了啊...

# 三 源码分析 #

## 1、构造器 ##

![70][]

1）Semaphore 构造器，permits 为传入的许可证数，默认非公平构造器；

2）Semaphore 构造器，permits 为传入的许可证数，fair 是 boolean 型的，如果传入 true，则公平，否则不公平；

默认使用的是非公平构造器。

**NonfairSync 和 FairSync源码：**

![70 1][]

两者都继承了 Sync 同步器，初始化时都调用了父类构造器，同时都有一个获取信号的方法，稍后再分析获取信号的区别。

**Sync 源码：**

![70 2][]

1）Sync 为 Semaphore 的内部静态类，同时继承了 AQS 同步器，主要是再获取或释放信号的时候通过

同步器的 CAS 算法实现原子更新。

2）构造器调用了 setState 方法，state 为 Semaphore 的一个成员变量，对应 setState 方法源码如下：

/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

/**
     * Sets the value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
     * @param newState the new state value
     */
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

所以从 Semaphore 构造器传进来的 permits 许可证数量，最后赋值到 volatile 变量 state。

volatile 是共享变量，内存可见，可用于线程间通讯，每个线程看到的 state，一定会拿到最新的 state 值。

Semaphore 获取信号或释放信号都是对 state 进行原子性减少或增加的操作。

## 2、acquire（获取信号量） ##

**获取信号量默认方法源码：**

![70 3][]

acquire 有其它的重构方法，咱们这里分析默认获取信号量方法，其它的雷同。

获取信号量时，调用的是 Sync 的 acquireSharedInterruptibly 方法，默认参数为 1，

**Sync 继承了 AQS，调用的其实是 AQS 的方法源码：**

![70 4][]

1）判断当前来获取信号量的线程是否中断，如果中断，直接跑线程中断异常。

2）tryAcauireShared 是真正去获取信号量的方法，获取到就返回当前信号量剩余数，也就是还有多少资源，否则就返回-1。

3）如果获取不到信号量，tryAcauireShared 方法返回-1，就会进入 doAcquireSharedInterruptibly 方法，

该方法会将哪些获取不到信号量的线程加入队列里面等待排队。

咱们继续看 tryAcauireShared 是如何处理信号量获取的，tryAcauireShared 方法签名：

![70 5][]

该方法在 Semaphore 的静态内部类中有两个实现类：

![70 6][]

**先看公平的 FairSync：**

![70 7][]

1）先判断等待队列里面是否有正在等待获取信号的线程，如果有，直接就返回-1，外层代码会把该线程加入等待队列里面，

等待着获取信号量。就好比上厕所，你看到有人排队了，就不要去尝试获取资源了，老老实实排队就行了，厕所肯定是满位，

要不然别人也没傻到有位置不用，闲得没事在哪里排队玩。这就是公平获取信号的逻辑，看到有排队的，老老实实加入排队大军。

2）如果有资源，首先获取可用的资源，然后减掉我们想要获取的资源，得到剩余的资源，也就是 remaining。

判断条件 remaining<0 是防止虽然没有排队的，但是资源刚好占满了，这个时候来获取，必然没有资源，可用为 0，

remaining 就是负数，直接返回负数，外层会把该线程加入等待队列。

如果 remaining 是大于0的，则会执行后面的 compareAndSetState(available，remaining) 通过原子更新信号量方式

来获取信号了，如果更新成功，获取成功，返回 true，这个时候返回的 remaining 就是大于0的，并且这个玩意就是

剩余信号量。所以，当能获取信号量时，返回的int值就是当前剩余信号量。

**然后再看非公平 NonfairSync 源码:**

![70 8][]

![70 9][]

有没有发现，非公平相对于公平的代码只是去掉了关于等待队列的判断部分，非公平上来绝不判断

队列里面是否有等待获取信号的线程，而是直接获取资源，获取不到外层处才老老实实的加入等待队列。

就好比上厕所，大家都在排队呢，一个哥们来了，看到排队，不听人说没坑了，也不排队，就是奔着资源去，

然后挨个门拉一遍，发现都有人，才又老老实实的去排队。

小结下公平与非公平区别：

1）公平就是看到有线程等待获取信号了，就跟着排队，不去试着获取信号；

2）非公平就是无视排队，直接尝试获取信号量，获取不到再加入排队大军；

## 3、release（释放信号量） ##

释放信号量源码：

![70 10][]

![70 11][]

**1）释放信号量。具体实现源码：**

![70 12][]

1）获取当前信号数量，也就是state变量的值。

2）当前信号量加上要释放的信号量等于释放后的信号量。

3）next<current 时抛异常，也就是释放后的信号量还不如释放前多，要不是传了负数值或者出现并发导致 state 为负数了。

4）通过 CAS 算法原子操作信号量 state，进行信号量释放，恢复信号量个数，也就是使 state 值增加 releases 个数。

**2）如果 tryReleaseShared 尝试释放 state 成功，通过 ****doReleaseShared 进行后继节点唤醒具体处理****：**

茅坑让出来了，等着的人就可以用了！等着的人也得保证先来后到，程序处理就麻烦些！

![70 13][]

1）获取队列的头节点元素，如果不为null，并且不为尾节点，说白了，就是不止一个人等待，进入判断。

2）如果线程节点是需要唤醒的线程，则进行唤醒，获取资源使用。

3）失败后重试。

4）如果没有后继需要唤醒的节点，则退出，就相当于每人排队上厕所了，让出来资源就空着。

# 四 Semaphore 总结 #

1、Semaphore 内部维护一组信号量，即一个 volatile 的整型 state 变量。

2、Semaphore 分为公平或非公平两种方式，获取信号量或释放信号量的本质是对 state 进行原子的减少或增加操作。

3、获取不到信号的线程放在等待队列里面，释放信号的时候会唤醒后继节点。

4、Semaphore 主要用于对线程数量、公共资源（比如数据库连接池）等进行数量控制。

[https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]: https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading
[AQS]: https://jpeony.blog.csdn.net/article/details/102535590
[70]: /images/20220319/3939c83e15fc4915a58c4bfd0944cd57.png
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[70 4]: /images/20220319/fec8f565f1e74e0f879174b7d2aec2a7.png
[70 5]: /images/20220319/a30806f46ec34b169c56c77ccae4b419.png
[70 6]: /images/20220319/7515185a034c4f3393619d7b491a6fff.png
[70 7]: /images/20220319/b0dbb1493e8a4655ad8025a9a9c331c0.png
[70 8]: /images/20220319/7943093637684ff49be1edce6c7ba378.png
[70 9]: /images/20220319/6de7e49717964b21b0b24452d27b7c2e.png
[70 10]: /images/20220319/b0d1d125959a47188794dc28d5d8aa48.png
[70 11]: /images/20220319/841d249bf6a542118bf8eb15d6b2f101.png
[70 12]: /images/20220319/2ae775533cd44a378d60408491b62cbe.png
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