19、【死磕Java并发】—–第十八篇J.U.C之并发工具类：Semaphore

原文出处：http://cmsblogs.com/ 『chenssy』

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

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（许可书 == 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。

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Semaphore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

实现分析

Semaphore结构如下：

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：

    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，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

信号量获取

Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

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

内部调用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法以共享模式获取同步状态：

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)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。

公平

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            //判断该线程是否位于CLH队列的列头
            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;
        }
    }

非公平

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。

        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;
            }
        }

信号量释放

获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore提供release()来释放许可。

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

内部调用AQS的releaseShared(int arg)：

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

releaseShared(int arg)调用Semaphore内部类Sync的tryReleaseShared(int arg)：

    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) // overflow
                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;
        }
    }

对于信号量的获取释放详细过程，请参考如下博客：

1. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：CLH同步队列
2. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：同步状态的获取与释放
3. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS：阻塞和唤醒线程
4. 【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁：ReentrantLock

应用示例

我们已停车为示例：

public class SemaphoreTest {

    static class Parking{
        //信号量
        private Semaphore semaphore;

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

        public void park(){
            try {
                //获取信号量
                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);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }


    static class Car extends Thread {
        Parking parking ;

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

        @Override
        public void run() {
            parking.park();     //进入停车场
        }
    }

    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：

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