JUC工具类: Semaphore详解

Semaphore底层是基于AbstractQueuedSynchronizer来实现的。Semaphore称为计数信号量,它允许n个任务同时访问某个资源,可以将信号量看做是在向外分发使用资源的许可证,只有成功获取许可证,才能使用资源。@pdai

带着BAT大厂的面试问题去理解

TIP

请带着这些问题继续后文,会很大程度上帮助你更好的理解相关知识点。@pdai

  • 什么是Semaphore?
  • Semaphore内部原理?
  • Semaphore常用方法有哪些? 如何实现线程同步和互斥的?
  • Semaphore适合用在什么场景?
  • 单独使用Semaphore是不会使用到AQS的条件队列?
  • Semaphore中申请令牌(acquire)、释放令牌(release)的实现?
  • Semaphore初始化有10个令牌,11个线程同时各调用1次acquire方法,会发生什么?
  • Semaphore初始化有10个令牌,一个线程重复调用11次acquire方法,会发生什么?
  • Semaphore初始化有1个令牌,1个线程调用一次acquire方法,然后调用两次release方法,之后另外一个线程调用acquire(2)方法,此线程能够获取到足够的令牌并继续运行吗?
  • Semaphore初始化有2个令牌,一个线程调用1次release方法,然后一次性获取3个令牌,会获取到吗?

Semaphore源码分析

类的继承关系

public class Semaphore implements java.io.Serializable {}
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说明: Semaphore实现了Serializable接口,即可以进行序列化。

类的内部类

Semaphore总共有三个内部类,并且三个内部类是紧密相关的,下面先看三个类的关系。

说明: Semaphore与ReentrantLock的内部类的结构相同,类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类,NonfairSync与FairSync类继承自Sync类,Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer抽象类。下面逐个进行分析。

类的内部类 - Sync类

Sync类的源码如下

// 内部类,继承自AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
    
    // 构造函数
    Sync(int permits) {
        // 设置状态数
        setState(permits);
    }
    
    // 获取许可
    final int getPermits() {
        return getState();
    }

    // 共享模式下非公平策略获取
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取许可数
            int available = getState();
            // 剩余的许可
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining)) // 许可小于0或者比较并且设置状态成功
                return remaining;
        }
    }
    
    // 共享模式下进行释放
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取许可
            int current = getState();
            // 可用的许可
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next)) // 比较并进行设置成功
                return true;
        }
    }

    // 根据指定的缩减量减小可用许可的数目
    final void reducePermits(int reductions) {
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取许可
            int current = getState();
            // 可用的许可
            int next = current - reductions;
            if (next > current) // underflow
                throw new Error("Permit count underflow");
            if (compareAndSetState(current, next)) // 比较并进行设置成功
                return;
        }
    }

    // 获取并返回立即可用的所有许可
    final int drainPermits() {
        for (;;) { // 无限循环
            // 获取许可
            int current = getState();
            if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0)) // 许可为0或者比较并设置成功
                return current;
        }
    }
}
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说明: Sync类的属性相对简单,只有一个版本号,Sync类存在如下方法和作用如下。

类的内部类 - NonfairSync类

NonfairSync类继承了Sync类,表示采用非公平策略获取资源,其只有一个tryAcquireShared方法,重写了AQS的该方法,其源码如下:

static final class NonfairSync extends Sync {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
    
    // 构造函数
    NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
    // 共享模式下获取
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}
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说明: 从tryAcquireShared方法的源码可知,其会调用父类Sync的nonfairTryAcquireShared方法,表示按照非公平策略进行资源的获取。

类的内部类 - FairSync类

FairSync类继承了Sync类,表示采用公平策略获取资源,其只有一个tryAcquireShared方法,重写了AQS的该方法,其源码如下。

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) { // 无限循环
        if (hasQueuedPredecessors()) // 同步队列中存在其他节点
            return -1;
        // 获取许可
        int available = getState();
        // 剩余的许可
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining)) // 剩余的许可小于0或者比较设置成功
            return remaining;
    }
}
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说明: 从tryAcquireShared方法的源码可知,它使用公平策略来获取资源,它会判断同步队列中是否存在其他的等待节点。

类的属性

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
    // 版本号
    private static final long serialVersionUID = -3222578661600680210L;
    // 属性
    private final Sync sync;
}
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说明: Semaphore自身只有两个属性,最重要的是sync属性,基于Semaphore对象的操作绝大多数都转移到了对sync的操作。

类的构造函数

  • Semaphore(int)型构造函数
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
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说明: 该构造函数会创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的Semaphore。

  • Semaphore(int, boolean)型构造函数
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
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说明: 该构造函数会创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。

核心函数分析 - acquire函数

此方法从信号量获取一个(多个)许可,在提供一个许可前一直将线程阻塞,或者线程被中断,其源码如下

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
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说明: 该方法中将会调用Sync对象的acquireSharedInterruptibly(从AQS继承而来的方法)方法,而acquireSharedInterruptibly方法在上一篇CountDownLatch中已经进行了分析,在此不再累赘。

最终可以获取大致的方法调用序列(假设使用非公平策略)。如下图所示。

说明: 上图只是给出了大体会调用到的方法,和具体的示例可能会有些差别,之后会根据具体的示例进行分析。

核心函数分析 - release函数

此方法释放一个(多个)许可,将其返回给信号量,源码如下。

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
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说明: 该方法中将会调用Sync对象的releaseShared(从AQS继承而来的方法)方法,而releaseShared方法在上一篇CountDownLatch中已经进行了分析,在此不再累赘。

最终可以获取大致的方法调用序列(假设使用非公平策略)。如下图所示:

说明: 上图只是给出了大体会调用到的方法,和具体的示例可能会有些差别,之后会根据具体的示例进行分析。

Semaphore示例

下面给出了一个使用Semaphore的示例。

import java.util.concurrent.Semaphore;

class MyThread extends Thread {
    private Semaphore semaphore;
    
    public MyThread(String name, Semaphore semaphore) {
        super(name);
        this.semaphore = semaphore;
    }
    
    public void run() {        
        int count = 3;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " trying to acquire");
        try {
            semaphore.acquire(count);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire successfully");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(count);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release successfully");
        }
    }
}

public class SemaphoreDemo {
    public final static int SEM_SIZE = 10;
    
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(SEM_SIZE);
        MyThread t1 = new MyThread("t1", semaphore);
        MyThread t2 = new MyThread("t2", semaphore);
        t1.start();
        t2.start();
        int permits = 5;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " trying to acquire");
        try {
            semaphore.acquire(permits);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire successfully");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release successfully");
        }      
    }
}
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运行结果(某一次):

main trying to acquire
main acquire successfully
t1 trying to acquire
t1 acquire successfully
t2 trying to acquire
t1 release successfully
main release successfully
t2 acquire successfully
t2 release successfully
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说明: 首先,生成一个信号量,信号量有10个许可,然后,main,t1,t2三个线程获取许可运行,根据结果,可能存在如下的一种时序。

说明: 如上图所示,首先,main线程执行acquire操作,并且成功获得许可,之后t1线程执行acquire操作,成功获得许可,之后t2执行acquire操作,由于此时许可数量不够,t2线程将会阻塞,直到许可可用。之后t1线程释放许可,main线程释放许可,此时的许可数量可以满足t2线程的要求,所以,此时t2线程会成功获得许可运行,t2运行完成后释放许可。下面进行详细分析。

  • main线程执行semaphore.acquire操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,可以看到只是AQS的state变为了5,main线程并没有被阻塞,可以继续运行。

  • t1线程执行semaphore.acquire操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,可以看到只是AQS的state变为了2,t1线程并没有被阻塞,可以继续运行。

  • t2线程执行semaphore.acquire操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,t2线程获取许可不会成功,之后会导致其被禁止运行,值得注意的是,AQS的state还是为2。

  • t1执行semaphore.release操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,t2线程将会被unpark,并且AQS的state为5,t2获取cpu资源后可以继续运行。

  • main线程执行semaphore.release操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,t2线程还会被unpark,但是不会产生影响,此时,只要t2线程获得CPU资源就可以运行了。此时,AQS的state为10。

  • t2获取CPU资源,继续运行,此时t2需要恢复现场,回到parkAndCheckInterrupt函数中,也是在should继续运行。主要的函数调用如下图所示。

说明: 此时,可以看到,Sync queue中只有一个结点,头结点与尾节点都指向该结点,在setHeadAndPropagate的函数中会设置头结点并且会unpark队列中的其他结点。

  • t2线程执行semaphore.release操作。主要的函数调用如下图所示。

说明: t2线程经过release后,此时信号量的许可又变为10个了,此时Sync queue中的结点还是没有变化。

更深入理解

单独使用Semaphore是不会使用到AQS的条件队列的

不同于CyclicBarrier和ReentrantLock,单独使用Semaphore是不会使用到AQS的条件队列的,其实,只有进行await操作才会进入条件队列,其他的都是在同步队列中,只是当前线程会被park。

场景问题

semaphore初始化有10个令牌,11个线程同时各调用1次acquire方法,会发生什么?

答案:拿不到令牌的线程阻塞,不会继续往下运行。

semaphore初始化有10个令牌,一个线程重复调用11次acquire方法,会发生什么?

答案:线程阻塞,不会继续往下运行。可能你会考虑类似于锁的重入的问题,很好,但是,令牌没有重入的概念。你只要调用一次acquire方法,就需要有一个令牌才能继续运行。

semaphore初始化有1个令牌,1个线程调用一次acquire方法,然后调用两次release方法,之后另外一个线程调用acquire(2)方法,此线程能够获取到足够的令牌并继续运行吗?

答案:能,原因是release方法会添加令牌,并不会以初始化的大小为准。

semaphore初始化有2个令牌,一个线程调用1次release方法,然后一次性获取3个令牌,会获取到吗?

答案:能,原因是release会添加令牌,并不会以初始化的大小为准。Semaphore中release方法的调用并没有限制要在acquire后调用。

具体示例如下,如果不相信的话,可以运行一下下面的demo,在做实验之前,笔者也认为应该是不允许的。。

public class TestSemaphore2 {
    public static void main(String[] args) {
        int permitsNum = 2;
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(permitsNum);
        try {
            System.out.println("availablePermits:"+semaphore.availablePermits()+",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):"+semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
            semaphore.release();
            System.out.println("availablePermits:"+semaphore.availablePermits()+",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):"+semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
        }catch (Exception e) {

        }
    }
}
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参考文章

  • 文章主要参考自leesf的https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5414778.html,在此基础上做了增改。
  • https://blog.csdn.net/u010412719/article/details/94986327

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