Java多线程进阶—— J.U.C之synchronizer框架：Semaphore

待我称王封你为后i 2023-06-22 03:27 16阅读 0赞

## 一、Semaphore简介 ##

`Semaphore`，又名信号量，这个类的作用有点类似于“许可证”。有时，我们因为一些原因需要控制同时访问共享资源的最大线程数量，比如出于系统性能的考虑需要限流，或者共享资源是稀缺资源，我们需要有一种办法能够协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。

Semaphore维护了一个许可集，其实就是一定数量的“许可证”。  
当有线程想要访问共享资源时，需要先获取(acquire)的许可；如果许可不够了，线程需要一直等待，直到许可可用。当线程使用完共享资源后，可以归还(release)许可，以供其它需要的线程使用。

另外，Semaphore支持公平/非公平策略，这和ReentrantLock类似，后面讲Semaphore原理时会看到，它们的实现本身就是类似的。

## 二、Semaphore示例 ##

我们来看下Oracle官方给出的示例：

class Pool {
        private static final int MAX_AVAILABLE = 100; // 可同时访问资源的最大线程数
        private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);
        protected Object[] items = new Object[MAX_AVAILABLE];   //共享资源
        protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];
        public Object getItem() throws InterruptedException {
            available.acquire();
            return getNextAvailableItem();
        }
        public void putItem(Object x) {
            if (markAsUnused(x))
                available.release();
        }
        private synchronized Object getNextAvailableItem() {
            for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
                if (!used[i]) {
                    used[i] = true;
                    return items[i];
                }
            }
            return null;
        }
        private synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
            for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
                if (item == items[i]) {
                    if (used[i]) {
                        used[i] = false;
                        return true;
                    } else
                        return false;
                }
            }
            return false;
        }
    }

items数组可以看成是我们的共享资源，当有线程尝试使用共享资源时，我们要求线程先获得“许可”（调用**Semaphore** 的**acquire**方法），这样线程就拥有了权限，否则就需要等待。当使用完资源后，线程需要调用**Semaphore** 的**release**方法释放许可。

> **注意：**上述示例中，对于共享资源访问需要由锁来控制，Semaphore仅仅是保证了线程由权限使用共享资源，至于使用过程中是否由并发问题，需要通过锁来保证。

***总结一下，许可数 ≤ 0代表共享资源不可用。许可数 ＞ 0，代表共享资源可用，且多个线程可以同时访问共享资源。***

**这是不是和CountDownLatch有点像？**  
我们来比较下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>同步器</th> 
   <th>作用</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>CountDownLatch</td> 
   <td>同步状态<code>State &gt; 0</code>表示资源不可用，所有线程需要等待；<code>State == 0</code>表示资源可用，所有线程可以同时访问</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Semaphore</td> 
   <td><code>剩余许可数 &lt; 0</code>表示资源不可用，所有线程需要等待；&nbsp;<code>许可剩余数 ≥ 0</code>表示资源可用，所有线程可以同时访问</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 如果读者阅读过本系列的AQS相关文章，应该立马可以反应过来，这其实就是对同步状态的定义不同。  
> **CountDownLatch**内部实现了AQS的共享功能，那么 **Semaphore**是否也一样是利用内部类实现了AQS的共享功能呢？

## 三、Semaphore原理 ##

### Semaphore的内部结构 ###

我们先来看下**Semaphore**的内部：

![clipboard.png][]

可以看到，Semaphore果然是通过内部类实现了AQS框架提供的接口，而且基本结构几乎和ReentrantLock完全一样，通过内部类分别实现了公平/非公平策略。

### Semaphore对象的构造 ###

`Semaphore sm = new Semaphore (3, true);`

**Semaphore**有两个构造器：

***构造器1：***

![clipboard.png][clipboard.png 1]

***构造器2：***

![clipboard.png][clipboard.png 2]

构造时需要指定“许可”的数量——**permits**，内部结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 3]

## 四、Semaphore的公平策略分析 ##

我们还是通过示例来分析：

> 假设现在一共3个线程： **ThreadA**、 **ThreadB**、 **ThreadC**。一个许可数为2的公平策略的 **Semaphore**。线程的调用顺序如下：

Semaphore sm = new Semaphore (2, true);
    
    // ThreadA: sm.acquire()
    
    // ThreadB: sm.acquire(2)
    
    // ThreadC: sm.acquire()
    
    // ThreadA: sm.release()
    
    // ThreadB: sm.release(2)

### 创建公平策略的Semaphore对象 ###

Semaphore sm = new Semaphore (2, true);

![clipboard.png][clipboard.png 4]

可以看到，内部创建了一个**FairSync**对象，并传入许可数**permits**：

![clipboard.png][clipboard.png 5]

**Sync**是**Semaphore**的一个内部抽象类，公平策略的**FairSync**和非公平策略的**NonFairSync**都继承该类。  
可以看到，构造器传入的permits值就是同步状态的值，这也体现了我们在AQS系列中说过的：  
AQS框架的设计思想就是分离构建同步器时的一系列关注点，它的所有操作都围绕着资源——*同步状态（synchronization state）*来展开，并将资源的定义和访问留给用户解决：

![clipboard.png][clipboard.png 6]

### ThreadA调用acqure方法 ###

**Semaphore**的**acquire**方法内部调用了AQS的方法，入参"1"表示尝试获取1个许可：

![clipboard.png][clipboard.png 7]

AQS的**acquireSharedInterruptibly**方式是共享功能的一部分，我们在AQS系列中就已经对它很熟悉了：

![clipboard.png][clipboard.png 8]

关键来看下**Semaphore**是如何实现**tryAcquireShared**方法的：

![clipboard.png][clipboard.png 9]

> 对于 **Semaphore**来说，线程是可以一次性尝试获取多个许可的，此时只要剩余的许可数量够，最终会通过自旋操作更新成功。如果剩余许可数量不够，会返回一个负数，表示获取失败。

显然，**ThreadA**获取许可成功。此时，同步状态值`State == 1`，等待队列的结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 10]

### ThreadB调用acqure(2)方法 ###

带入参的**aquire**方法内部和无参的一样，都是调用了AQS的acquireSharedInterruptibly方法：

![clipboard.png][clipboard.png 11]

![clipboard.png][clipboard.png 12]

此时，ThreadB一样进入**tryAcquireShared**方法。不同的是，此时剩余许可数不足，因为ThreadB一次性获取2个许可，**tryAcquireShared**方法返回一个负数，表示获取失败：  
`remaining = available - acquires = 1- 2 = -1;`

ThreadB会调用**doAcquireSharedInterruptibly**方法：

![clipboard.png][clipboard.png 13]

上述方法首先通过**addWaiter**方法将ThreadB包装成一个共享结点，加入等待队列：

![clipboard.png][clipboard.png 14]

然后会进入自旋操作，先尝试获取一次资源，显然此时是获取失败的，然后判断是否要进入阻塞（**shouldParkAfterFailedAcquire**）：

![clipboard.png][clipboard.png 15]

上述方法会先将前驱结点的状态置为**SIGNAL**，表示ThreadB需要阻塞，但在阻塞之前需要将前驱置为**SIGNAL**，以便将来可以唤醒ThreadB。

最终ThreadB会在**parkAndCheckInterrupt**中进入阻塞：

![clipboard.png][clipboard.png 16]

此时，同步状态值依然是`State == 1`，等待队列的结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 17]

### ThreadC调用acqure()方法 ###

流程和步骤3完全相同，ThreadC被包装成结点加入等待队列后：

![clipboard.png][clipboard.png 18]

同步状态：`State == 1`

### ThreadA调用release()方法 ###

**Semaphore**的**realse**方法调用了AQS的**releaseShared**方法，默认入参为"1"，表示归还一个许可：

![clipboard.png][clipboard.png 19]

来看下**Semaphore**是如何实现**tryReleaseShared**方法的，**tryReleaseShared**方法是一个自旋操作，直到更新State成功：

![clipboard.png][clipboard.png 20]

更新完成后，`State == 2`,ThreadA会进入**doReleaseShared**方法，先将头结点状态置为0，表示即将唤醒后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 21]

此时，等待队列结构：

![clipboard.png][clipboard.png 22]

然后调用**unparkSuccessor**方法唤醒后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 23]

此时，ThreadB被唤醒，会从原阻塞处继续向下执行：

![clipboard.png][clipboard.png 24]

此时，同步状态：`State == 2`

### ThreadB从原阻塞处继续执行 ###

ThreadB被唤醒后，从下面开始继续往下执行，进入下一次自旋：

![clipboard.png][clipboard.png 25]

在下一次自旋中，ThreadB调用**tryAcquireShared**方法成功获取到共享资源（State修改为0），**setHeadAndPropagate**方法把ThreadB变为头结点，  
并根据传播状态判断是否要唤醒并释放后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 26]

![clipboard.png][clipboard.png 27]

同步状态：`State == 0`

ThreadB会调用**doReleaseShared**方法，继续尝试唤醒后继的共享结点（也就是ThreadC），这个过程和ThreadB被唤醒完全一样：

![clipboard.png][clipboard.png 21]

![clipboard.png][clipboard.png 28]

同步状态：`State == 0`

### ThreadC从原阻塞处继续执行 ###

由于目前共享资源仍为0，所以ThreadC被唤醒后，在经过尝试获取资源失败后，又进入了阻塞：

![clipboard.png][clipboard.png 25]

![clipboard.png][clipboard.png 29]

### ThreadA调用release(2)方法 ###

内部和无参的release方法一样：

![clipboard.png][clipboard.png 30]

更新完成后，`State == 2`,ThreadA会进入**doReleaseShared**方法，唤醒后继结点：

![clipboard.png][clipboard.png 21]

此时，等待队列结构：

![clipboard.png][clipboard.png 28]

同步状态：`State == 2`

### ThreadC从原阻塞处继续执行 ###

由于目前共享资源为2，所以ThreadC被唤醒后，获取资源成功：

![clipboard.png][clipboard.png 25]

最终同步队列的结构如下：

![clipboard.png][clipboard.png 31]

同步状态：`State == 0`

## 五、总结 ##

**Semaphore**其实就是实现了AQS共享功能的同步器，对于**Semaphore**来说，资源就是许可证的数量：

*  剩余许可证数（State值） - 尝试获取的许可数（**acquire**方法入参） ≥ 0：资源可用
 *  剩余许可证数（State值） - 尝试获取的许可数（**acquire**方法入参） < 0：资源不可用

这里共享的含义是多个线程可以同时获取资源，当计算出的剩余资源不足时，线程就会阻塞。

> **注意：**Semaphore不是锁，只能限制同时访问资源的线程数，至于对数据一致性的控制，Semaphore是不关心的。当前，如果是只有一个许可的Semaphore，可以当作锁使用。

### Semaphore的非公平策略 ###

另外，上述我们讨论的是**Semaphore**的公平策略，非公平策略的差异并不大：

![clipboard.png][clipboard.png 32]

可以看到，非公平策略不会去查看等待队列的队首是否有其它线程正在等待，而是直接尝试修改State值。

### Semaphore的其它方法 ###

**Semaphore**还有两个比较特殊的方法，这两个方法的特点是采用自旋操作State变量，直到成功为止。所以，并不会阻塞调用线程。

***reducePermits***

![clipboard.png][clipboard.png 33]

**reducePermits**立即减少指定数目的可用许可数。

***drainPermits***

![clipboard.png][clipboard.png 34]

**drainPermits**方法用于将可用许可数清零，并返回清零前的许可数

## 六、Semaphore的类/接口声明 ##

### 类声明 ###

![clipboard.png][clipboard.png 35]

### 构造器 ###

![clipboard.png][clipboard.png 36]

### 接口声明 ###

![clipboard.png][clipboard.png 37]

![clipboard.png][clipboard.png 38]

[clipboard.png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlWHJu?x-oss-process=image/format,png
[clipboard.png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlWHJG?x-oss-process=image/format,png
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[clipboard.png 38]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlNG1S?x-oss-process=image/format,png