Java并发工具类之Semaphore

一、Semaphore的概念

Semaphore又叫信号量，用来控制同时访问特定资源的线程数量。它通过协调各个线程，以保证合理地使用公共资源。

Semaphore和CountDownLatch一样，也是维护了一个计数器，其本质是一个共享锁。

Semaphore有公平性和非公平性之分。

Semaphore的工作过程：



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；

当Semaphore = 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；

当有线程释放资源时，Semaphore+1，其他线程可以争抢资源；

二、Semaphore的实现分析

前面分析可知，Semaphore的实现是共享锁。

构造函数

Semaphore有两个构造函数。

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

第一个构造函数中传入的是资源许可的数量，默认是非公平锁。

第二个构造函数传入资源许可的数量和一个boolean变量，该变量可实现公平锁。

Semaphore在使用时有两个主要方法，acquire()方法表示获取一个资源许可，而 release()方法表示释放一个资源许可。

资源获取：acquire()方法

调用acquire()方法获取一个资源：

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

该方法调用AQS的acquireSharedInterruptibly()方法，以共享的模式获取同步状态：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)

4000
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

然后调用tryAcquireShared()方法，该方法由Sync的子类来实现：

如果是非公平模式，调用NonfairSync的tryAcquireShared()方法；

如果是公平模式，调用FairSync的tryAcquireShared()方法。

在前面的文章 ReentrantLock重入锁 中有提到公平与非公平的实现。

非公平模式

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

remaining 表示剩余的资源许可，如果< 0，表示目前没有剩余的许可。当前线程继续等待。如果remaining >0 则执行CAS操作获取资源许可。

公平模式

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}

在公平模式的方法中，增加了一个判断，判断同步队列中是否有等待的线程：

有，则插入作为尾节点，线程阻塞；

没有，则参与资源竞争；

简而言之，公平模式就是要按等待队列中的顺序获取资源许可。

资源释放：release()方法

Semaphore调用release()方法释放资源许可，默认释放1个。

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

调用AQS的releaseShared()方法：

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

调用Sync中重写的tryReleaseShared()方法（公平与非公平都是调用该方法），

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}

next代表如果许可释放成功，可用资源许可的数量。

这里可能有多个线程同时释放，因此利用CAS操作将资源许可数量置为next。

释放成功后，进入doReleaseShared()唤醒队列中等待的线程。

注：公平模式与非公平模式都是调用该release()方法。