JUC工具类: Semaphore详解

本文是JUC第二十八讲，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。

1、带着BAT大厂的面试问题去理解

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。

• 什么是Semaphore？ 计数信号量，允许n个任务同时访问某个资源
• 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？拿不到令牌的线程阻塞
• 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？没有可冲入这一说，线程会阻塞，不会继续往下运行
• 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？能
• 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？

2、Semaphore源码分析

2.1、类的继承关系

public class Semaphore implements java.io.Serializable {}

说明: Semaphore实现了Serializable接口，即可以进行序列化。

2.2、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。

2.3、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) {
    	// 无限循环
        for (;;) {
            // 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) {
    	// 无限循环
        for (;;) { 
            // 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();
           	// 许可为0或者比较并设置成功
            if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                return current;
        }
    }
}

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。

2.4、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);
    }
}

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。

2.5、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
    	// 同步队列中存在其他节点
        if (hasQueuedPredecessors())
            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;
    }
}

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。

2.6、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;
}

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。

2.7、类的构造函数

• Semaphore(int)型构造函数

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

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);
}

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。

2.8、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);
}

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。

2.9、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);
}

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。

3、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");
        }      
    }
}

运行结果(某一次)：

main trying to acquire
main acquire successfully // 主线程获得5个任务
t1 trying to acquire
t1 acquire successfully   // t1线程获得3个任务
t2 trying to acquire
t1 release successfully	  // t1线程释放3个任务
main release successfully // 主线程释放5个任务
t2 acquire successfully   // t1线程获得3个任务
t2 release successfully	  // t1线程释放3个任务

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，头节点与尾节点都指向该结点，在setHeadAndPropagate 的函数中会设置头节点并且会 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。

4、更深入理解

4.1、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。

4.2、场景问题

1、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。

2、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。

3、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。

4、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) {

        }
    }
}

5、参考文章

• 【JUC】JDK1.8源码分析之Semaphore
• Semaphore原理浅析和相关面试题分析