Java并发系列之Semaphore源码分析

Java并发系列之Semaphore源码分析

Semaphore(信号量)是JUC包中比较常用到的一个类，它是AQS共享模式的一个应用，可以允许多个线程同时对共享资源进行操作，并且可以有效的控制并发数，利用它可以很好的实现流量控制。Semaphore提供了一个许可证的概念，可以把这个许可证看作公共汽车车票，只有成功获取车票的人才能够上车，并且车票是有一定数量的，不可能毫无限制的发下去，这样就会导致公交车超载。所以当车票发完的时候(公交车以满载)，其他人就只能等下一趟车了。如果中途有人下车，那么他的位置将会空闲出来，因此如果这时其他人想要上车的话就又可以获得车票了。利用Semaphore可以实现各种池，我们在本篇末尾将会动手写一个简易的数据库连接池。首先我们来看一下Semaphore的构造器。

//构造器1

public Semaphore(int permits) {

sync = new NonfairSync(permits);

}

//构造器2

public Semaphore(int permits, boolean fair) {

sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);

}

Semaphore提供了两个带参构造器，没有提供无参构造器。这两个构造器都必须传入一个初始的许可证数量，使用构造器1构造出来的信号量在获取许可证时会采用非公平方式获取，使用构造器2可以通过参数指定获取许可证的方式(公平or非公平)。Semaphore主要对外提供了两类API，获取许可证和释放许可证，默认的是获取和释放一个许可证，也可以传入参数来同时获取和释放多个许可证。在本篇中我们只讲每次获取和释放一个许可证的情况。

1.获取许可证

//获取一个许可证(响应中断)

public void acquire() throws InterruptedException {

sync.acquireSharedInterruptibly(1);

}

//获取一个许可证(不响应中断)

public void acquireUninterruptibly() {

sync.acquireShared(1);

}

//尝试获取许可证(非公平获取)

public boolean tryAcquire() {

return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;

}

//尝试获取许可证(定时获取)

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {

return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));

}

上面的API是Semaphore提供的默认获取许可证操作http://。每次只获取一个许可证，这也是现实生活中较常遇到的情况。除了直接获取还提供了尝试获取，直接获取操作在失败之后可能会阻塞线程，而尝试获取则不会。另外还需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式尝试获取的。在平时我们比较常用到的是acquire方法去获取许可证。下面我们就来看看它是怎样获取的。可以看到acquire方法里面直接就是调用sync.acquireSharedInterruptibly(1)，这个方法是AQS里面的方法，我们在讲AQS源码系列文章的时候曾经讲过，现在我们再来回顾一下。

//以可中断模式获取锁(共享模式)

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

//首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常

if (Thread.interrupted()) {

throw new InterruptedException();

}

//1.尝试去获取锁

if (tryAcquireShared(arg) < 0) {

//2. 如果获取失败则进人该方法

doAcquireSharedInterruptibly(arg);

}

}

acquireSharedInterruptibly方法首先就是去调用tryAcquireShared方法去尝试获取，tryAcquireShared在AQS里面是抽象方法，FairSync和NonfairSync这两个派生类实现了该方法的逻辑。FairSync实现的是公平获取的逻辑，而NonfairSync实现的非公平获取的逻辑。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

//非公平方式尝试获取

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {

for (;;) {

//获取可用许可证

int available = getState();

//获取剩余许可证

int remaining = available - acquires;

//1.如果remaining小于0则直接返回remaining

//2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回remaining

if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {

return remaining;

}

}

}

}

//非公平同步器

static final class NonfairSync extends Sync {

private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

NonfairSync(int permits) {

super(permits);

}

//尝试获取许可证

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

return nonfairTryAcquireShared(acquires);

}

}

//公平同步器

static final class FairSync extends Sync {

private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

FairSync(int permits) {

super(permits);

}

//尝试获取许可证

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

for (;;) {

//判断同步队列前面有没有人排队

if (hasQueuedPredecessors()) {

//如果有的话就直接返回-1，表示尝试获取失败

return -1;

}

//获取可用许可证

int available = getState();

//获取剩余许可证

int remaining = available - acquires;

//1.如果remaining小于0则直接返回remaining

//2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回remaining

if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {

return remaining;

}

}

}

}

这里需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接调用的是nonfairTryAcquireShared方法，这个方法是在父类Sync里面的。非公平获取锁的逻辑是先取出当前同步状态(同步状态表示许可证个数)，将当前同步状态减去参入的参数，如果结果不小于0的话证明还有可用的许可证，那么就直接使用CAS操作更新同步状态的值，最后不管结果是否小于0都会返回该结果值。这里我们要了解tryAcquireShared方法返回值的含义，返回负数表示获取失败，零表示当前线程获取成功但后续线程不能再获取，正数表示当前线程获取成功并且后续线程也能够获取。我们再来看acquireSharedInterruptibly方法的代码。

//以可中断模式获取锁(共享模式)

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {

//首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常

if (Thread.interrupted()) {

throw new InterruptedException();

}

//1.尝试去获取锁

//负数：表示获取失败

//零值：表示当前线程获取成功, 但是后继线程不能再获取了

//正数：表示当前线程获取成功, 并且后继线程同样可以获取成功

if (tryAcquireShared(arg) < 0) {

//2. 如果获取失败则进人该方法

doAcquireSharedInterruptibly(arg);

}

}

如果返回的remaining小于0的话就代表获取失败，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为true，所以接下来就会调用doAcquireSharedInterruptibly方法，这个方法我们在讲AQS的时候讲过，它会将当前线程包装成结点放入同步队列尾部，并且有可能挂起线程。这也是当remaining小于0时线程会排队阻塞的原因。而如果返回的remaining>=0的话就代表当前线程获取成功，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为flase，所以就不会再去调用doAcquireSharedInterruptibly方法阻塞当前线程了。以上是非公平获取的整个逻辑，而公平获取时仅仅是在此之前先去调用hasQueuedPredecessors方法判断同步队列是否有人在排队，如果有的话就直接return -1表示获取失败，否则才继续执行下面和非公平获取一样的步骤。

2.释放许可证

//释放一个许可证

public void release() {

sync.releaseShared(1);

}

调用release方法是释放一个许可证，它的操作很简单，就调用了AQS的releaseShared方法，我们来看看这个方法。

//释放锁的操作(共享模式)

public final boolean releaseShared(int arg) {

//1.尝试去释放锁

if (tryReleaseShared(arg)) {

//2.如果释放成功就唤醒其他线程

doReleaseShared();

return true;

}

return false;

}

AQS的releaseShared方法首先调用tryReleaseShared方法尝试释放锁，这个方法的实现逻辑在子类Sync里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

...

//尝试释放操作

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {

for (;;) {

//获取当前同步状态

int current = getState();

//将当前同步状态加上传入的参数

int next = current + releases;

//如果相加结果小于当前同步状态的话就报错

if (next < current) {

throw new Error("Maximum permit count exceeded");

}

//以CAS方式更新同步状态的值, 更新成功则返回true, 否则继续循环

if (compareAndSetState(current, next)) {

return true;

}

}

}

...

}

可以看到tryReleaseShared方法里面采用for循环进行自旋，首先获取同步状态，将同步状态加上传入的参数，然后以CAS方式更新同步状态，更新成功就返回true并跳出方法，否则就继续循环直到成功为止，这就是Semaphore释放许可证的流程。

3.动手写个连接池

Semaphore代码并没有很复杂，常用的操作就是获取和释放一个许可证，这些操作的实现逻辑也都比较简单，但这并不妨碍Semaphore的广泛应用。下面我们就来利用Semaphore实现一个简单的数据库连接池，通过这个例子希望读者们能更加深入的掌握Semaphore的运用。

public class ConnectPool {

//连接池大小

private int size;

//数据库连接集合

private Connect[] connects;

//连接状态标志

private boolean[] connectFlag;

//剩余可用连接数

private volatile int available;

//信号量

private Semaphore semaphore;

//构造器

public ConnectPool(int size) {

this.size = size;

this.available = size;

semaphore = new Semaphore(size, true);

connects = new Connect[size];

connectFlag = new boolean[size];

initConnects();

}

//初始化连接

private void initConnects() {

//生成指定数量的数据库连接

for(int i = 0; i < this.size; i++) {

connects[i] = new Connect();

}

}

//获取数据库连接

private synchronized Connect getConnect(){

for(int i = 0; i < connectFlag.length; i++) {

//遍历集合找到未使用的连接

if(!connectFlag[i]) {

http:// //将连接设置为使用中

connectFlag[i] = true;

//可用连接数减1

cobkvIh available--;

System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以获取连接 剩余连接数：" + available);

//返回连接引用

return connects[i];

}

}

return null;

}

//获取一个连接

public Connect openConnect() throws InterruptedException {

//获取许可证

semaphore.acquire();

//获取数据库连接

return getConnect();

}

//释放一个连接

public synchronized void release(Connect connect) {

for(int i = 0; i < this.size; i++) {

if(connect == connects[i]){

//将连接设置为未使用

connectFlag[i] = false;

//可用连接数加1

available++;

System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以释放连接 剩余连接数：" + available);

//释放许可证

semaphore.release();

}

}

}

//剩余可用连接数

public int available() {

return available;

}

}

测试代码：

public class TestThread extends Thread {

private static ConnectPool pool = http://new ConnectPool(3);

@Override

public void run() {

try {

Connect connect = pool.openConnect();

Thread.sleep(100); //休息一下

pool.release(connect);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}

public static void main(String[] args) {

for(int i = 0; i < 10; i++) {

new TestThread().start();

}

}

}

测试结果：

我们使用一个数组来存放数据库连接的引用，在初始化连接池的时候会调用initConnects方法创建指定数量的数据库连接，并将它们的引用存放到数组中，此外还有一个相同大小的数组来记录连接是否可用。每当外部线程请求获取一个连接时，首先调用semaphore.acquire()方法获取一个许可证，然后将连接状态设置为使用中，最后返回该连接的引用。许可证的数量由构造时传入的参数决定，每调用一次semaphore.acquire()方法许可证数量减1，当数量减为0时说明已经没有连接可以使用了，这时如果其他线程再来获取就会被阻塞。每当线程释放一个连接的时候会调用semaphore.release()将许可证释放，此时许可证的总量又会增加，代表可用的连接数增加了，那么之前被阻塞的线程将会醒来继续获取连接，这时再次获取就能够成功获取连接了。测试示例中初始化了一个3个连接的连接池，我们从测试结果中可以看到，每当线程获取一个连接剩余的连接数将会减1，等到减为0时其他线程就不能再获取了，此时必须等待一个线程将连接释放之后才能继续获取。可以看到剩余连接数总是在0到3之间变动，说明我们这次的测试是成功的。

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