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Semaphore 原理

发表于 更新于
作者 deathwhispers
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Semaphore 原理

https://www.iocoder.cn/JUC/sike/Semaphore/

1. 简介

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“。

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（许可数 == 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。
  • 信号量 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S emaphore 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 。

2. 实现分析

java.util.concurrent.Semaphore 结构如下图：

Semaphore结构图

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：

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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：1）当 =1 时表示，其他线程可以获取；2）当 =0 时，排他，即其他线程必须要等待。
  • 🙂 Semaphore 的代码实现结构，和 ReentrantLock 类似。

2.1 信号量获取

Semaphore 提供了 #acquire() 方法，来获取一个许可。

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public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
  • 内部调用 AQS 的 #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法，该方法以共享模式获取同步状态。代码如下：
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public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

在 #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法中，会调用 #tryAcquireShared(int arg) 方法。而 #tryAcquireShared(int arg) 方法，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。若 #tryAcquireShared(int arg) 方法返回 < 0 时，则会阻塞等待，从而实现 Semaphore 信号量不足时的阻塞，代码如下：

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// AQS.java
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null;
                    // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) {
                throw new InterruptedException();
            }
        }
    } finally {
        if (failed) {
            cancelAcquire(node);
        }
    }
}
  • 老艿艿：另外，这也是为什么 Semaphore 在使用 AQS 时，state 代表的是，剩余可获取的许可数，而不是已经使用的许可数。我们假设 state 代表的是已经使用的许可数，那么 #tryAcquireShared(int arg) 返回的结果 = 原始许可数 - state ，这个操作在并发情况下，会存在线程不安全的问题。所以，state 代表的是，剩余可获取的许可数，而不是已经使用的许可数。

公平情况的 FairSync 的方法实现，代码如下：

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// FairSync.java
@Override protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //判断该线程是否位于CLH队列的列头，从而实现公平锁
        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;
    }
}
  • 通过 #hasQueuedPredecessors() 方法，判断该线程是否位于 CLH 队列的列头，从而实现公平锁。

非公平情况的 NonfairSync 的方法实现，代码如下：

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// NonfairSync.java
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
// Sync.java
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining;
    }
}
  • 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。

2.2 信号量释放

获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore 提供 #release() 方法，来释放许可。代码如下：

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public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
  • 内部调用 AQS 的 #releaseShared(int arg) 方法，释放同步状态。
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// AQS.java
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
  • releaseShared(int arg) 方法，会调用 Semaphore 内部类 Sync 的 #tryReleaseShared(int arg) 方法，释放同步状态。
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// Sync.java
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) {
            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;
    }
}

2.3 其他方法

本文有部分方法并未解析，因为比较简单，胖友可以自己研究。

Semaphore ：

  • #acquireUninterruptibly()
  • #tryAcquire()
  • #tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
  • #acquire(int permits)
  • #acquireUninterruptibly(int permits)
  • #tryAcquire(int permits)
  • #tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
  • #availablePermits()
  • #drainPermits()
  • #reducePermits(int reduction)
  • #isFair()
  • #hasQueuedThreads()
  • #getQueueLength()
  • #getQueuedThreads()

Sync ：

  • #reducePermits(int reductions)
  • #drainPermits()

3. 应用示例

我们已停车为示例：

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public class SemaphoreTest {
    static class Parking {
        private final Semaphore semaphore;

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

        public void park() {
            try {
                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 * 1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场…");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }

    static class Car extends Thread {
        private final Parking parking;

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

        @Override
        public void run() {
            parking.park();
        }
    }

    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：

Semaphore测试运行结果

Java
Java Concurrency
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权