【死磕Java并发】—– J.U.C之并发工具类——Semaphore

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此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

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”。

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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

实现分析

Semaphore结构如下:

【死磕Java并发】—– J.U.C之并发工具类:Semaphore

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:

123456
  public Semaphore(int permits) {         sync = new NonfairSync(permits);     }        public Semaphore(int permits, boolean fair) {         sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);     }

 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。

信号量获取

Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

123
public void acquire() throws InterruptedException {         sync.acquireSharedInterruptibly(1);     }

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:

12345
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)  throws InterruptedException {         if (Thread.interrupted  ()) throw new InterruptedException();          if (tryAcquireShared(arg)  0)             doAcquireSharedInterruptibly(arg);     }

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。

公平

1234567891011121314151617
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;        }    }

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;
    }
}

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。

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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;

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;
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。

123
public void release() {        sync.releaseShared(1);    }

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

内部调用AQS的releaseShared(int arg):

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

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):

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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;        }    }

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;
}
}

对于信号量的获取释放详细过程,请参考如下博客:

  1. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:CLH同步队列
  2. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:同步状态的获取与释放
  3. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:阻塞和唤醒线程
  4. 【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁:ReentrantLock

应用示例

我们已停车为示例:

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public class SemaphoreTest {     static class Parking{        //信号量        private Semaphore semaphore;         Parking(int count){            semaphore = new Semaphore(count);        }         public void park(){            try {                //获取信号量                semaphore.acquire();                long time = (long) (Math.random() * 10);                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场,停车" + time + "秒..." );                Thread.sleep(time);                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            } finally {                semaphore.release();            }        }    }      static class Car extends Thread {        Parking parking ;         Car(Parking parking){            this.parking = parking;        }         @Override        public void run() {            parking.park();     //进入停车场        }    }     public static void main(String[] args){        Parking parking = new Parking(3);         for(int i = 0 ; i  5 ; i++){            new Car(parking).start();        }    }}

public class SemaphoreTest {


static class Parking{
    //信号量
    private Semaphore semaphore;

    Parking(int count){
        semaphore = new Semaphore(count);
    }

    public void park(){
        try {
            //获取信号量
            semaphore.acquire();
            long time = (long) (Math.random() * 10);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场,停车" + time + "秒..." );
            Thread.sleep(time);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}


static class Car extends Thread {
    Parking parking ;

    Car(Parking parking){
        this.parking = parking;
    }

    @Override
    public void run() {
        parking.park();     //进入停车场
    }
}

public static void main(String[] args){
    Parking parking = new Parking(3);

    for(int i = 0 ; i  5 ; i++){
        new Car(parking).start();
    }
}}

运行结果如下:
【死磕Java并发】—– J.U.C之并发工具类:Semaphore

 

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