信号量 Semaphore

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信号量 Semaphore

1. 简介

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”。

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(许可数 == 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。
  • 信号量 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S emaphore 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 。

2. 实现分析

java.util.concurrent.Semaphore 结构如下图:

Semaphore 结构

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:1)当 =1 时表示,其他线程可以获取;2)当 =0 时,排他,即其他线程必须要等待。
  • 🙂 Semaphore 的代码实现结构,和 ReentrantLock 类似。

2.1 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) 方法,该方法以共享模式获取同步状态。代码如下:

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
    
    • #acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法中,会调用 #tryAcquireShared(int arg) 方法。而 #tryAcquireShared(int arg) 方法,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。若 #tryAcquireShared(int arg) 方法返回 < 0 时,则会阻塞等待,从而实现 Semaphore 信号量不足时的阻塞,代码如下:

      // AQS.java
      private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
              throws InterruptedException {
          final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
          boolean failed = true;
          try {
              for (;;) {
                  final Node p = node.predecessor();
                  if (p == head) {
                      int r = tryAcquireShared(arg);
                      if (r >= 0) {
                          setHeadAndPropagate(node, r);
                          p.next = null; // help GC
                          failed = false;
                          return;
                      }
                  }
                  /**
                   * 对于 Semaphore 而言,如果 tryAcquireShared 返回小于 0 时,则会阻塞等待。
                   */
                  if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                          parkAndCheckInterrupt())
                      throw new InterruptedException();
              }
          } finally {
              if (failed)
                  cancelAcquire(node);
          }
      }
      
      • 老艿艿:另外,这也是为什么 Semaphore 在使用 AQS 时,state 代表的是,剩余可获取的许可数,而不是已经使用的许可数。我们假设 state 代表的是已经使用的许可数,那么 #tryAcquireShared(int arg) 返回的结果 = 原始许可数 - state ,这个操作在并发情况下,会存在线程不安全的问题。所以,state 代表的是,剩余可获取的许可数,而不是已经使用的许可数
    • 公平情况的 FairSync 的方法实现,代码如下:

      // FairSync.java
      @Override
      protected int tryAcquireShared(int acquires) {
          for (;;) {
              //判断该线程是否位于CLH队列的列头,从而实现公平锁
              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;
          }
      }
      
      • 通过 #hasQueuedPredecessors() 方法,判断该线程是否位于 CLH 队列的列头,从而实现公平锁。
    • 非公平情况的 NonfairSync 的方法实现,代码如下:

      // NonfairSync.java
      protected int tryAcquireShared(int acquires) {
          return nonfairTryAcquireShared(acquires);
      }
      
      // Sync.java
      final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
          for (;;) {
              int available = getState();
              int remaining = available - acquires;
              if (remaining < 0 ||
                  compareAndSetState(available, remaining))
                  return remaining;
          }
      }
      
      • 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。

2.2 信号量释放

获取了许可,当用完之后就需要释放,Semaphore 提供 #release() 方法,来释放许可。代码如下:

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
  • 内部调用 AQS 的 #releaseShared(int arg) 方法,释放同步状态。

    // AQS.java
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
    
    • releaseShared(int arg) 方法,会调用 Semaphore 内部类 Sync 的 #tryReleaseShared(int arg) 方法,释放同步状态。

      // Sync.java
      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;
          }
      }
      

2.3 其他方法

本文有部分方法并未解析,因为比较简单,胖友可以自己研究。

Semaphore :

  • #acquireUninterruptibly()
  • #tryAcquire()
  • #tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
  • #acquire(int permits)
  • #acquireUninterruptibly(int permits)
  • #tryAcquire(int permits)
  • #tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
  • #availablePermits()
  • #drainPermits()
  • #reducePermits(int reduction)
  • #isFair()
  • #hasQueuedThreads()
  • #getQueueLength()
  • #getQueuedThreads()

Sync :

  • #reducePermits(int reductions)
  • #drainPermits()

3. 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:

201702170002

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