Semaphone应用&源码分析

Semaphone应用&源码分析

3.1 Semaphore介绍

sync，ReentrantLock是互斥锁，保证一个资源同一时间只允许被一个线程访问

Semaphore（信号量）保证1个或多个资源可以被指定数量的线程同时访问

底层实现是基于AQS去做的。

Semaphore底层也是基于AQS的state属性做一个计数器的维护。state的值就代表当前共享资源的个数。如果一个线程需要获取的1或多个资源，直接查看state的标识的资源个数是否足够，如果足够的，直接对state - 1拿到当前资源。如果资源不够，当前线程就需要挂起等待。知道持有资源的线程释放资源后，会归还给Semaphore中的state属性，挂起的线程就可以被唤醒。

Semaphore也分为公平和非公平的概念。

使用场景：连接池对象就可以基础信号量去实现管理。在一些流量控制上，也可以采用信号量去实现。再比如去迪士尼或者是环球影城，每天接受的人流量是固定的，指定一个具体的人流量，可能接受10000人，每有一个人购票后，就对信号量进行–操作，如果信号量已经达到了0，或者是资源不足，此时就不能买票。

3.2 Semaphore应用

以上面环球影城每日人流量为例子去测试一下。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 今天环球影城还有人个人流量
    Semaphore semaphore = new Semaphore(10);

    new Thread(() -> {
        System.out.println("一家三口要去~~");
        try {
            semaphore.acquire(3);
            System.out.println("一家三口进去了~~~");
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println("一家三口走了~~~");
            semaphore.release(3);
        }
    }).start();

    for (int i = 0; i < 7; i++) {
        int j = i;
        new Thread(() -> {
            System.out.println(j + "大哥来了。");
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(j + "大哥进去了~~~");
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                System.out.println(j + "大哥走了~~~");
                semaphore.release();
            }
        }).start();
    }

    Thread.sleep(10);

    System.out.println("main大哥来了。");
    if (semaphore.tryAcquire()) {
        System.out.println("main大哥进来了。");
    }else{
        System.out.println("资源不够，main大哥进来了。");
    }
    Thread.sleep(10000);

    System.out.println("main大哥又来了。");
    if (semaphore.tryAcquire()) {
        System.out.println("main大哥进来了。");
        semaphore.release();
    }else{
        System.out.println("资源不够，main大哥进来了。");
    }
}

其实Semaphore整体就是对构建Semaphore时，指定的资源数的获取和释放操作

获取资源方式：

• acquire()：获取一个资源，没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
• acquire(int)：获取指定个数资源，资源不够，或者没有资源就挂起等待，如果中断，直接抛异常
• tryAcquire()：获取一个资源，没有资源返回false，有资源返回true
• tryAcquire(int)：获取指定个数资源，没有资源返回false，有资源返回true
• tryAcquire(time,unit)：获取一个资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回false
• tryAcquire(int，time,unit)：获取指定个数资源，如果没有资源，等待time.unit，如果还没有，就返回false
• acquireUninterruptibly()：获取一个资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等
• acquireUninterruptibly(int)：获取指定个数资源，没有资源就挂起等待，中断线程不结束，继续等

归还资源方式：

• release()：归还一个资源
• release(int)：归还指定个数资源

3.3 Semaphore源码分析

先查看Semaphore的整体结构，然后基于获取资源，以及归还资源的方式去查看源码

3.3.1 Semaphore的整体结构

Semaphore内部有3个静态内类。

首先是向上抽取的Sync

其次还有两个Sync的子类NonFairSync以及FairSync两个静态内部类

Sync内部主要提供了一些公共的方法，并且将有参构造传入的资源个数，直接基于AQS提供的setState方法设置了state属性。

NonFairSync以及FairSync区别就是tryAcquireShared方法的实现是不一样。

3.3.2 Semaphore的非公平的获取资源

在构建Semaphore的时候，如果只设置资源个数，默认情况下是非公平。

如果在构建Semaphore，传入了资源个数以及一个boolean时，可以选择非公平还是公平。

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

从非公平的acquire方法入手

首先确认默认获取资源数是1个，并且acquire是允许中断线程时，抛出异常的。获取资源的方式，就是直接用state - 需要的资源数，只要资源足够，就CAS的将state做修改。如果没有拿到锁资源，就基于共享锁的方式去将当前线程挂起在AQS双向链表中。如果基于doAcquireSharedInterruptibly拿锁成功，会做一个事情。会执行setHeadAndPropagate方法。一会说

// 信号量的获取资源方法（默认获取一个资源）
public void acquire() throws InterruptedException {
    // 跳转到了AQS中提供共享锁的方法
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// AQS提供的
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 判断线程的中断标记位，如果已经中断，直接抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 先看非公平的tryAcquireShared实现。
    // tryAcquireShared：
    //     返回小于0，代表获取资源失败，需要排队。
    //     返回大于等于0，代表获取资源成功，直接执行业务代码
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

// 信号量的非公平获取资源方法
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    // 死循环。
    for (;;) {
        // 获取state的数值，剩余的资源个数
        int available = getState();
        // 剩余的资源个数 - 需要的资源个数
        int remaining = available - acquires;
        // 如果-完后，资源个数小于0，直接返回这个负数
        if (remaining < 0 ||
            // 说明资源足够，基于CAS的方式，将state从原值，改为remaining
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}
// 获取资源失败，资源不够，当前线程需要挂起等待
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    // 构建Node节点，线程和共享锁标记，并且到AQS双向链表中
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            // 拿到上一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            // 如果是head.next，就抢一手
            if (p == head) {
                // 再次基于非公平的方式去获取一次资源
                int r = tryAcquireShared(arg);
                // 到这，说明拿到了锁资源
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; 
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 如果上面没拿到，或者不是head的next节点，将前继节点的状态改为-1，并挂起当前线程
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                // 如果线程中断会抛出异常
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

acquire()以及acquire(int)的方式，都是执行acquireSharedInterruptibly方法去尝试获取资源，区别只在于是否传入了需要获取的资源个数。

tryAcquire()以及tryAcquire(int因为这两种方法是直接执行tryAcquire，只使用非公平的实现，只有非公平的情况下，才有可能在有线程排队的时候获取到资源

但是tryAcquire(int,time,unit)这种方法是正常走的AQS提供的acquire。因为这个tryAcquire可以排队一会，即便是公平锁也有可能拿到资源。这里的挂起和acquire挂起的区别仅仅是挂起的时间问题。

• acquire是一直挂起直到线程中断，或者线程被唤醒。
• tryAcquire(int,time,unit)是挂起一段时间，直到线程中断，要么线程被唤醒，要么阻塞时间到了

还有acquireUninterruptibly()以及acquireUninterruptibly(int)只是在挂起线程后，不会因为线程的中断而去抛出异常

3.3.3 Semaphore公平实现

公平与非公平只是差了一个方法的实现tryAcquireShared实现

这个方法的实现中，如果是公平实现，需要先查看AQS中排队的情况

// 信号量公平实现
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    // 死循环。
    for (;;) {
        // 公平实现在走下述逻辑前，先判断队列中排队的情况
        // 如果没有排队的节点，直接不走if逻辑
        // 如果有排队的节点，发现当前节点处在head.next位置，直接不走if逻辑
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;

        // 下面这套逻辑和公平实现是一模一样的。
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

3.3.4 Semaphore释放资源

因为信号量从头到尾都是共享锁的实现……

释放资源操作，不区分公平和非公平

// 信号量释放资源的方法入口
public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

// 释放资源不分公平和非公平，都走AQS的releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 优先查看tryReleaseShared，这个方法是信号量自行实现的。
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 只要释放资源成功，执行doReleaseShared，唤醒AQS中排队的线程，去竞争Semaphore的资源
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

// 信号量实现的释放资源方法
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // 死循环
    for (;;) {
        // 拿到当前的state
        int current = getState();
        // 将state + 归还的资源个数，新的state要被设置为next
        int next = current + releases;
        // 如果归还后的资源个数，小于之前的资源数。
        // 避免出现归还资源后，导致next为负数，需要做健壮性判断
        if (next < current) 
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // CAS操作，保证原子性，只会有一个线程成功的就之前的state修改为next
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

3.4 AQS中PROPAGATE节点

为了更好的了解PROPAGATE节点状态的意义，优先从JDK1.5去分析一下释放资源以及排队后获取资源的后置操作

3.4.1 掌握JDK1.5-Semaphore执行流程图

首先查看4个线程获取信号量资源的情况

往下查看释放资源的过程会触发什么问题

首先t1释放资源，做了进一步处理

当线程3获取锁资源后，线程2再次释放资源，因为执行点问题，导致线程4无法被唤醒

3.4.2 分析JDK1.8的变化

====================================JDK1.5实现============================================.
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0) 
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}


private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    setHead(node);
    if (propagate > 0 && node.waitStatus != 0) {
        Node s = node.next; 
        if (s == null || s.isShared())
            unparkSuccessor(node);
    }
}

====================================JDK1.8实现============================================.
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        // 拿到head节点
        Node h = head;
        // 判断AQS中有排队的Node节点
        if (h != null && h != tail) {
            // 拿到head节点的状态
            int ws = h.waitStatus;
            // 状态为-1
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                // 将head节点的状态从-1，改为0
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;  
                // 唤醒后继节点
                unparkSuccessor(h);
            }
            // 发现head状态为0，将head状态从0改为-3，目的是为了往后面传播
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        // 没有并发的时候。head节点没变化，正常完成释放排队的线程
        if (h == head)  
            break;
    }
}

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    // 拿到head
    Node h = head; 
    // 将线程3的Node设置为新的head
    setHead(node);
    // 如果propagate 大于0，代表还有剩余资源，直接唤醒后续节点，如果不满足，也需要继续往后判断看下是否需要传播
    // h == null：看成健壮性判断即可
    // 之前的head节点状态为负数，说明并发情况下，可能还有资源，需要继续向后唤醒Node
    // 如果当前新head节点的状态为负数，继续释放后续节点
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        // 唤醒当前节点的后继节点
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}