线程间的同步与通信(8)——Semaphore源码分析

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ChiuCheng
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    Semaphore（信号量）也是常用的并发工具之一，它常常用于流量控制。通常情况下，公共的资源常常是有限的，例如数据库的连接数。使用Semaphore可以帮助我们有效的管理这些有限资源的使用。

    Semaphore的结构和ReentrantLock以及CountDownLatch很像，内部采用了公平锁与非公平锁两种实现，如果你已经看过了ReentrantLock源码分析 和 CountDownLatch源码分析，弄懂它将毫不费力。

    核心属性

    与CountDownLatch类似，Semaphore主要是通过AQS的共享锁机制实现的，因此它的核心属性只有一个sync，它继承自AQS：

    private final Sync sync;
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    final int getPermits() {
        return getState();
    }

    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        //省略
    }

    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        //
    }

    final void reducePermits(int reductions) {
        //省略
    }

    final int drainPermits() {
        //省略
    }
}

    这里的permits和CountDownLatch的count很像，它们最终都将成为AQS中的state属性的初始值。

    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);
}

    默认的构造函数使用的是非公平锁，另一个构造函数通过传入的fair参数来决定使用公平锁还是非公平锁，这一点和ReentrantLock用的是同样的套路，都是同样的代码框架。

    公平锁和非公平锁的定义如下：

    static final class FairSync extends Sync {
    
   FairSync(int permits) {
        super(permits);
    }

    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;
        }
    }
}

static final class NonfairSync extends Sync {
    
   NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}

    获取信号量

    获取信号量的方法有4个：

    acquire方法 本质调用
    acquire() sync.acquireSharedInterruptibly(1)
    acquire(int permits) sync.acquireSharedInterruptibly(permits)
    acquireUninterruptibly() sync.acquireShared(1)
    acquireUninterruptibly(int permits) sync.acquireShared(permits);

    可见，acquire()方法就相当于acquire(1)，acquireUninterruptibly同理，只不过一种响应中断，一种不响应中断，关于AQS的那四个方法我们在前面的文章中都已经分析过了，除了其中的tryAcquireShared(arg)由子类实现外，其他的都由AQS实现。

    值得注意的是，在逐行分析AQS源码(3)——共享锁的获取与释放中我们特别提到过tryAcquireShared返回值的含义：

    • 如果该值小于0，则代表当前线程获取共享锁失败
    • 如果该值大于0，则代表当前线程获取共享锁成功，并且接下来其他线程尝试获取共享锁的行为很可能成功
    • 如果该值等于0，则代表当前线程获取共享锁成功，但是接下来其他线程尝试获取共享锁的行为会失败

    这里的返回值其实代表的是剩余的信号量的值，如果为负值则说明信号量不够了。

    接下来我们就看看子类对于tryAcquireShared(arg)方法的实现：

    非公平锁实现

    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;
    }
}

    与一般的tryAcquire逻辑不同，Semaphore的tryAcquire逻辑是一个自旋操作，因为Semaphore是共享锁，同一时刻可能有多个线程来修改这个值，所以我们必须使用自旋 + CAS来避免线程冲突。

    该方法退出的唯一条件是成功的修改了state值，并返回state的剩余值。如果剩下的信号量不够了，则就不需要进行CAS操作，直接返回剩余值。所以其实tryAcquireShared返回的不是当前剩余的信号量的值，而是如果扣去acquires之后，当前将要剩余的信号量的值，如果这个“将要”剩余的值比0小，则是不会发生扣除操作的。这就好比我要买10个包子，包子铺现在只剩3个了，则将会返回剩余3 - 10 = -7个包子，但是事实上包子店并没有将包子卖出去，实际剩余的包子还是3个；此时如果有另一个人来只要买1个包子，则将会返回剩余3 - 1 = 2个包子，并且包子店会将一个包子卖出，实际剩余的包子数也是2个。

    非公平锁的这种获取信号量的逻辑其实和CountDownLatch的countDown方法很像：

    // CountDownLatch
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}

    在countDown()的releaseShared(1)方法中将调用tryReleaseShared：

    // CountDownLatch
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

    对比CountDownLatch的tryReleaseShared方法和Semaphore的tryAcquireShared方法可知，它们的核心逻辑都是减少state的值，只不过CountDownLatch借用了共享锁的壳，对它而言，减少state的值是一种释放共享锁的行为，因为它的目的是将state值降为0；而在Semaphore中，减少state的值是一种获取共享锁的行为，减少成功了，则获取成功。

    公平锁实现

    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;
    }
}

    通过对比可以看出，它和nonfairTryAcquireShared的唯一的差别在于：

    if (hasQueuedPredecessors())
    return -1;

    即在获取共享锁之前，先用hasQueuedPredecessors方法判断有没有人排在自己前面。关于hasQueuedPredecessors方法，我们在前面的文章中已经分析过了，它就是判断当前节点是否有前驱节点，有的话直接返回获取失败，因为要让前驱节点先去获取锁。（毕竟公平锁讲究先来后到嘛）

    释放信号量

    释放信号量的方法有2个：

    public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
    public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

    可见，release() 相当于调用了 release(1)，它们最终都调用了tryReleaseShared(int releases)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;
    }
}

    与获取信号量的逻辑相反，释放信号量的逻辑是将得到的信号量再归还回去，因此是增加state值的操作，代码本身很容易理解，这里不再赘述。

    工具方法

    除了以上获取和释放信号量所用到的方法，Semaphore还定义了一些其他方法来帮助我们操作信号量：

    tryAcquire

    注意，这个tryAcquire不是给acquire方法使用的！！！我们上面分析信号量的获取时说过，获取信号量的acquire方法调用的是AQS的acquireShared和acquireSharedInterruptibly ，而这两个方法会调用子类的tryAcquireShared方法，子类必须实现这个方法。

    而这里的tryAcquire方法并没有定义在AQS的子类中，即既不在NonfairSync，也不在FairSync中，对于使用共享锁的AQS的子类，也不需要定义这个方法。事实上它直接定义在Semaphore中的。

    所以，在看这个方法时，脑海中一定要有一个意识，虽然它和AQS的独占锁的获取逻辑中的tryAcquire重名了，但实际上它和AQS的独占锁是没有关系的，不要被它的名字绕晕了。

    那么，这个tryAcquire和tryAcquireShared方法有什么不同呢？只要有两点：

    1. 返回值不同：tryAcquire返回boolean类型，tryAcquireShared返回int
    2. tryAcquire一定是采用非公平锁模式，而tryAcquireShared有公平和非公平两种实现。

    理清楚以上几点之后，我们再来看tryAcquire方法的源码，它有四种重载形式：
    两种不带超时机制的形式：

    public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
    public boolean tryAcquire(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

    两种带超时机制的形式：

    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
    public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

    其中，不带超时机制的tryAcquire方法实际上调用的就是nonfairTryAcquireShared(int acquires)方法，它和非公平锁的tryAcquireShared一样，只是tryAcquireShared是直接return nonfairTryAcquireShared(acquires)，而tryAcquire是return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;，即直接返回获取锁的操作是否成功。

    而带超时机制的tryAcquire方法提供了一种超时等待的方式，这是前面介绍的公平锁和非公平锁的获取锁逻辑中所没有的，它本质上调用了AQS的tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)方法：

    public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
        doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

    这个方法我们在介绍CountDownLatch源码分析的await(long timeout, TimeUnit unit)方法时已经分析过了，属于老套路了，这里就不展开了。

    reducePermits

    reducePermits方法用来减少信号量的总数，这在debug中是很有用的，它与前面介绍的acquire方法的不同点在于，即使当前信号量的值不足，它也不会导致调用它的线程阻塞等待。只要需要减少的信号量的数量reductions大于0，操作最终就会成功，也就是说，即使当前的reductions大于现有的信号量的值也没关系，所以该方法可能会导致剩余信号量为负值。

    protected void reducePermits(int reduction) {
    if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.reducePermits(reduction);
}
    final void reducePermits(int reductions) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current - reductions;
        if (next > current) // underflow
            throw new Error("Permit count underflow");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return;
    }
}

    我们将它和nonfairTryAcquireShared对比一下：

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

    可以看出，两者在CAS前的判断条件并不相同，reducePermits只要剩余值不比当前值大就可以，而nonfairTryAcquireShared必须要保证剩余值不小于0才会执行CAS操作。

    drainPermits

    相比reducePermits，drainPermits就更简单了，它直接将剩下的信号量一次性消耗光，并且返回所消耗的信号量，这个方法在debug中也是很有用的：

    public int drainPermits() {
    return sync.drainPermits();
}
    final int drainPermits() {
    for (;;) {
        int current = getState();
        if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
            return current;
    }
}

    实战

    以上我们分析了信号量的源码，接下来我们来分析一下官方给的一个使用的例子：

    class Pool {
    private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
    // 初始化一个信号量，设置为公平锁模式，总资源数为100个
    private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

    public Object getItem() throws InterruptedException {
        // 获取一个信号量
        available.acquire();
        return getNextAvailableItem();
    }

    public void putItem(Object x) {
        if (markAsUnused(x))
            available.release();
    }

    // Not a particularly efficient data structure; just for demo

    protected Object[] items = ...whatever kinds of items being managed
    protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

    protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return items[i];
            }
        }
        return null; // not reached
    }

    protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (item == items[i]) {
                if (used[i]) {
                    used[i] = false;
                    return true;
                } else
                    return false;
            }
        }
        return false;
    }

}

    这个例子很简单，我们用items数组代表可用的资源，用used数组来标记已经使用的资源的，used[i]的值为true，则代表items[i]这个资源已经被使用了。

    (1) 获取一个可用资源
    我们调用getItem()来获取资源，在该方法中会先调用available.acquire()方法请求一个信号量，注意，这里如果当前信号量数不够时，是会阻塞等待的；当我们成功地获取了一个信号量之后，将会调用getNextAvailableItem方法，返回一个可用的资源。

    (2) 释放一个资源
    我们调用putItem(Object x)来释放资源，在该方法中会先调用markAsUnused(Object item)将需要释放的资源标记成可用状态（即将used数组中对应的位置标记成false）, 如果释放成功，我们就调用available.release()来释放一个信号量。

    总结

    Semaphore是一个有效的流量控制工具，它基于AQS共享锁实现。我们常常用它来控制对有限资源的访问。每次使用资源前，先申请一个信号量，如果资源数不够，就会阻塞等待；每次释放资源后，就释放一个信号量。

    （完）

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