JDK源码分析-Semaphore

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1. 概述

Semaphore 是并发包中的一个工具类，可理解为信号量。通常可以作为限流器使用，即限制访问某个资源的线程个数，比如用于限制连接池的连接数。

打个通俗的比方，可以把 Semaphore 理解为一辆公交车：车上的座位数（初始的“许可” permits 数量）是固定的，行驶期间如果有人上车（获取许可），座位数（许可数量）就会减少，当人满的时候不能再继续上车了（获取许可失败）；而有人下车（释放许可）后就空出了一些座位，其他人就可以继续上车了。

下面具体分析其代码实现。

2. 代码分析

Semaphore 的方法如下：

其中主要方法是 acquire() 和 release() 相关的一系列方法，它们的作用类似。我们先从构造器开始分析。

• 构造器

private final Sync sync;

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，非公平
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，指定是否公平
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

构造器初始化了 Sync 变量，根据传入的 fair 值指定为 FairSync 或 NonFairSync，下面分析这三个类。

• 内部嵌套类 Sync

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
    
    // 构造器，将父类 AQS 的 state 变量初始化为给定的 permits
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    // 非公平方式尝试获取许可（减少 state 的值）
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        // 自旋操作
        for (;;) {
            // 获取许可值（state），并尝试 CAS 修改为减去后的结果
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

    // 释放许可（增加 state 的值）
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            // 操作与获取类似，不同的在于此处是增加 state 值
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }
    
    // 一些方法未给出...
}

可以看到 Sync 类继承自 AQS，并重写了 AQS 的 tryReleaseShared 方法，其中获取和释放许可分别对应的是对 AQS 中 state 值的减法和加法操作。具体可参考前文对 AQS 共享模式的分析「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)」。

• NonFairSync (非公平版本实现)

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

    // 调用父类 Sync 的构造器来实现
    NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
    // 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，代码实现在父类 Sync 中
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}

• FairSync (公平版本实现)

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
    
    // 构造器调用父类 Sync 的构造器来实现
    FairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
    
    // 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，尝试获取许可（permit）
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            // 若队列中有其他线程等待，则获取失败（这就是体现“公平”的地方）
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            // 获取当前的许可值
            int available = getState();
            // 计算剩余值
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
}

PS: 体现“公平”的地方在于 tryAcquireShared 方法中，公平的版本会先判断队列中是否有其它线程在等待（hasQueuedPredecessors 方法）。

主要方法的代码实现：

// 获取一个许可（可中断）
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// 获取一个许可（不响应中断）
public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}

// 尝试获取一个许可
public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

// 尝试获取一个许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

// 释放一个许可
public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

还有一系列类似的操作，只不过获取/释放许可的数量可以指定：

// 获取指定数量的许可（可中断）
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

// 获取指定数量的许可（不可中断）
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireShared(permits);
}

// 尝试获取指定数量的许可
public boolean tryAcquire(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

// 尝试获取指定数量的许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

// 释放指定数量的许可
public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

可以看到，Semaphore 的主要方法都是在嵌套类 FairSync 和 NonFairSync 及其父类 Sync 中实现的，内部嵌套类也是 AQS 的典型用法。

3. 场景举例

为了便于理解 Semaphore 的用法，下面简单举例分析（仅供参考）：

public class SemaphoreTest {
  public static void main(String[] args) {
    // 初始化 Semaphore
    // 这里的许可数为 2，即同时最多有 2 个线程可以获取到
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          // 获取许可
          semaphore.acquire();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行..");
          // 模拟操作
          TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          // 释放许可
          semaphore.release();
        }
      }).start();
    }
  }
}
/*  执行结果（仅供参考）：
    Thread-0 正在执行..
    Thread-1 正在执行..
    Thread-2 正在执行..
    Thread-3 正在执行..
    ...
*/

这里把 Semaphore 的初始许可值设为 2，表示最多有两个线程可同时获取到许可（运行程序可发现线程是两两一起执行的）。设置为其他值也是类似的。

比较特殊的是，如果把 Semaphore 的初始许可值设为 1，可以当做“互斥锁”来使用。

4. 小结

Semaphore 是并发包中的一个工具类，其内部是基于 AQS 共享模式实现的。通常可以作为限流器使用，比如限定连接池等的大小。

相关阅读：

JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)