关于java:面经手册-第18篇AQS-共享锁SemaphoreCountDownLatch听说数据库连接池可以用到

作者：小傅哥
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积淀、分享、成长，让本人和别人都能有所播种！????

一、前言

学 Java 怎么能，突飞猛进的成长？

是不是你看见过的突飞猛进都是他人，但本人却很难！

其实并没有一天的突飞猛进，也没有一口吃进去的瘦子。有得更多的时候与日俱增、一直积淀，最初能力暴发、破局！

举个简略的例子，如果你大学毕业时候曾经写了 40 万行代码，还找不到工作吗？但 40 万行均匀到每天并不会很多，重要的是坚持不懈的保持。

二、面试题

谢飞机，小记！ 东风吹、战鼓擂，不加班、谁怕谁！哈哈哈，找我大哥去。

谢飞机 ：喂，大哥。我女友面试卡住了，强人 锁难，锁我也不会！

面试官：你不应该不会呀，问你一个，基于 AQS 实现的锁都有哪些？

谢飞机：嗯，有 ReentrantLock…

面试官：还有呢？

谢飞机：如同想不起来了，sync 也不是！

面试官：哎，学点漏点，不思考、不总结、不记录。你这样人家面试你就没法聊了，最起码你要有点深度。

谢飞机：嘿嘿，记住了。来我家吃火锅吧，细聊。

三、共享锁 和 AQS

1. 基于 AQS 实现的锁有哪些？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer），是 Java 并发包中十分重要的一个类，大部分锁的实现也是基于 AQS 实现的，包含：

• ReentrantLock，可重入锁。这个是咱们最开始介绍的锁，也是最罕用的锁。通常会与 synchronized 做比拟应用。
• ReentrantReadWriteLock，读写锁。读锁是共享锁、写锁是独占锁。
• Semaphore，信号量锁。次要用于管制流量，比方：数据库连接池给你调配 10 个链接，那么让你来一个连一个，连到 10 个还没有人开释，那你就等等。
• CountDownLatch，闭锁。Latch 门闩的意思，比方：说四个人一个漂流艇，坐满了就推上水。

这一章节咱们次要来介绍 Semaphore，信号量锁的实现，其实也就是介绍一个对于共享锁的应用和源码剖析。

2. Semaphore 共享锁应用

Semaphore semaphore = new Semaphore(2, false); // 构造函数入参，permits：信号量、fair：偏心锁 / 非偏心锁
for (int i = 0; i < 8; i++) {new Thread(() -> {
        try {semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "蹲坑");
            Thread.sleep(1000L);
        } catch (InterruptedException ignore) { } finally {semaphore.release();
        }
    }, "蹲坑编号：" + i).start();}

这里咱们模仿了一个在高速服务区，厕所排队蹲坑的场景。因为坑位无限，为了防止造成拥挤和踩踏，保安人员在门口拦着，感觉差不多，一次开释两个进去，始终到都开释。你也能够想成早上坐地铁下班，或者淡季去公园，都是一批一批的放行

测试后果

蹲坑编号：0 蹲坑
蹲坑编号：1 蹲坑

蹲坑编号：2 蹲坑
蹲坑编号：3 蹲坑

蹲坑编号：4 蹲坑
蹲坑编号：5 蹲坑

蹲坑编号：6 蹲坑
蹲坑编号：7 蹲坑

Process finished with exit code 0

• Semaphore 的构造函数能够传递是偏心锁还是非偏心锁，最终的测试后果也不同，能够自行尝试。
• 测试运行时，会先输入 0 坑、1 坑， 之后 2 坑、3 坑…，每次都是这样两个，两个的开释。这就是 Semaphore 信号量锁的作用。

3. Semaphore 源码剖析

3.1 构造函数

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

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

permits：n. 许可证，特许证(尤指限期的)

默认状况下只须要传入 permits 许可证数量即可，也就是一次容许放行几个线程。构造函数会创立非偏心锁。如果你须要应用 Semaphore 共享锁中的偏心锁，那么能够传入第二个构造函数的参数 fair = false/true。true：FairSync，偏心锁。在咱们后面的章节曾经介绍了偏心锁相干内容和实现，以及 CLH、MCS《偏心锁介绍》

初始 许可证 数量

FairSync/NonfairSync(int permits) {super(permits);
}

Sync(int permits) {setState(permits);
}

protected final void setState(int newState) {state = newState;}

在构造函数初始化的时候，无论是偏心锁还是非偏心锁，都会设置 AQS 中 state 数量值。这个值也就是为了下文中能够获取的信号量扣减和减少的值。

3.2 acquire 获取信号量

• 其实获取信号量的这四个办法，次要就是，一次获取几个和是否响应中断的组合。
• semaphore.acquire()，源码中理论调用的办法是， sync.acquireSharedInterruptibly(1)。也就是相应中断，一次只占一个坑。
• semaphore.acquire(2)，同理这个就是一次要占两个名额，也就是许可证。生存中的场景就是我给我敌人排的对，她来了，进来吧。

3.3 acquire 开释信号量

有获取就得有开释，获取了几个信号量就要开释几个信号量。当然你能够尝试一下，获取信号量 semaphore.acquire(2) 两个，开释信号量 semaphore.release(1)，看看运行成果

3.4 偏心锁实现

信号量获取过程，始终到偏心锁实现。semaphore.acquire -> sync.acquireSharedInterruptibly(permits) -> tryAcquireShared(arg)

semaphore.acquire(1);

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

FairSync.tryAcquireShared

protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

• hasQueuedPredecessors，偏心锁的次要实现逻辑都在于这个办法的应用。它的目标就是判断有线程排在本人后面没，以及把线程增加到队列中的逻辑实现。在后面咱们介绍过 CLH 等实现，能够往前一章节浏览
• for (;;)，是一个自旋的过程，通过 CAS 来设置 state 偏移量对应值。这样就能够防止多线程下竞争获取信号量抵触。
• getState()，在构造函数中曾经初始化 state 值，在这里获取信号量时就是应用 CAS 一直的扣减。

• 另外须要留神，共享锁和独占锁在这里是有区别的，独占锁间接返回 true/false，共享锁返回的是 int 值。

  • 如果该值小于 0，则以后线程获取共享锁失败。
  • 如果该值大于 0，则以后线程获取共享锁胜利，并且接下来其余线程尝试获取共享锁的行为很可能胜利。
  • 如果该值等于 0，则以后线程获取共享锁胜利，然而接下来其余线程尝试获取共享锁的行为会失败。

3.5 非偏心锁实现

NonfairSync.nonfairTryAcquireShared

protected int tryAcquireShared(int acquires) {return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

• 有了偏心锁的实现，非偏心锁的了解就比较简单了，只是拿去了 if (hasQueuedPredecessors()) 的判断操作。
• 其余的逻辑实现都和偏心锁统一。

3.6 获取信号量失败，退出同步期待队列

在偏心锁和非偏心锁的实现中，咱们曾经看到失常获取信号量的逻辑。那么如果此时不能失常获取信号量呢？其实这部分线程就须要退出到同步队列。

doAcquireSharedInterruptibly

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

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;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();}
    } finally {if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

• 首先 doAcquireSharedInterruptibly 办法来自 AQS 的外部办法，与咱们在学习竞争锁时有局部知识点雷同，但也有一些差别。比方：addWaiter(Node.SHARED)，tryAcquireShared，咱们次要介绍下这内容。
• Node.SHARED，其实没有非凡含意，它只是一个标记作用，用于判断是否共享。`final boolean isShared() {
  return nextWaiter == SHARED;

}`

• tryAcquireShared，次要是来自 Semaphore 共享锁中偏心锁和非偏心锁的实现。用来获取同步状态。
• setHeadAndPropagate(node, r)，如果 r > 0，同步胜利后则将以后线程结点设置为头结点，同时 helpGC，p.next = null，断链操作。
• shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，调整同步队列中 node 结点的状态，并判断是否应该被挂起。这在咱们之前对于锁的文章中曾经介绍。
• parkAndCheckInterrupt()，判断是否须要被中断，如果中断间接抛出异样，以后结点申请也就完结。
• cancelAcquire(node)，勾销该节点的线程申请。

4. CountDownLatch 共享锁应用

CountDownLatch 也是共享锁的一种类型，之所以在这里体现下，是因为它和 Semaphore 共享锁，既类似有不同。

CountDownLatch 更多体现的组团一波的思维，同样是管制人数，然而须要够一窝。比方：咱们说过的 4 集体一起上皮划艇、两个人一起上跷跷板、 2 集体一起蹲坑我没见过，这样的形式就是门闩 CountDownLatch 锁的思维。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
    ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {exec.execute(() -> {
            try {int millis = new Random().nextInt(10000);
                System.out.println("期待游客上船，耗时：" + millis + "(millis)");
                Thread.sleep(millis);
            } catch (Exception ignore) { } finally {latch.countDown(); // 完事一个扣减一个名额
            }
        });
    }
    // 期待游客
    latch.await();
    System.out.println("船长浮躁了，开船!");
    // 敞开线程池
    exec.shutdown();}

• 这一个公园游船的场景案例，期待 10 个乘客上传，他们比拟墨迹。
• 上一个扣减一个 latch.countDown()
• 期待游客都上船 latch.await()
• 最初船长开船！！浮躁了

测试后果

期待游客上船，耗时：6689(millis)
期待游客上船，耗时：2303(millis)
期待游客上船，耗时：8208(millis)
期待游客上船，耗时：435(millis)
期待游客上船，耗时：9489(millis)
期待游客上船，耗时：4937(millis)
期待游客上船，耗时：2771(millis)
期待游客上船，耗时：4823(millis)
期待游客上船，耗时：1989(millis)
期待游客上船，耗时：8506(millis)
船长浮躁了，开船!

Process finished with exit code 0

• 在你理论的测试中会发现，船长浮躁了，开船!，会须要期待一段时间。
• 这里体现的就是门闩的思维，组队、一波带走。
• CountDownLatch 的实现与 Semaphore 基本相同、细节略有差别，就不再做源码剖析了。

四、总结

• 在有了 AQS、CLH、MCS，等相干锁的常识理解后，在学习其余知识点也绝对容易。根本以上和前几章节对于锁的介绍，也是面试中容易问到的点。可能因为目前分布式开发较多，单机的多线程性能压迫个别较少，然而对这部分常识的理解十分重要
• 得益于 Lee 老爷子的操刀，并发包锁的设计真的十分优良。每一处的实现都能够说是精益求精，所以在学习的时候能够把小傅哥的文章当作抛砖，之后持续深挖设计精华，不断深入。
• 共享锁的应用可能平时并不多，但如果你须要设计一款相似数据库线程池的设计，那么这样的信号量锁的思维就十分重要了。所以在学习的时候也须要有技术迁徙的能，一直把这些常识复用到理论的业务开发中。

五、系列举荐

• volatile 怎么实现的内存可见？没有 volatile 肯定不可见吗？
• synchronized 解毒，分析源码深度剖析！
• ReentrantLock 之偏心锁解说和实现
• ReentrantLock 之 AQS 原理剖析和实际应用
• 想去 BAT 大厂，应该怎么面？