关于java:使用递增计数器的线程同步工具-信号量它的原理是什么样子的

前言

在 JUC 中线程同步器除了 CountDownLatch 和 CycleBarrier，还有一个叫做 Semaphore（信号量），同样是基于 AQS 实现的。上面来看看信号量的外部原理。

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一个计数信号量。从概念上讲，信号量保护了一组许可。如果有必要，在许可可用之前调用 acquire 办法会被阻塞，直到许可证可用。调用 release 办法会减少了一个许可证，从而开释被阻塞的线程。

申明时指定初始许可数量。
调用 acquire(int permits) 办法，指定指标许可数量。
调用 release(int permits) 办法，公布指定的许可数量。

在许可数量没有达到指定指标数量时，调用 acquire 办法的线程会被阻塞。

public class SemaphoreTest1 {private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());


        for (int i = 0; i < 5; i++) {pool.submit(() -> {

                try {Thread.sleep(1000 + new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException ignored) { }

                System.out.println("以后线程:" + Thread.currentThread().getName() + "公布一个许可");
                SEMAPHORE.release(1);

            });
        }

        System.out.println("-----> 这里是主线程");

        SEMAPHORE.acquire(5);

        System.out.println("-----> 主线程执行结束");

        pool.shutdown();}

}

-----> 这里是主线程
以后线程: Thread-pool-2 公布一个许可
以后线程: Thread-pool-4 公布一个许可
以后线程: Thread-pool-1 公布一个许可
以后线程: Thread-pool-0 公布一个许可
以后线程: Thread-pool-3 公布一个许可
-----> 主线程执行结束

下面这个办法也是模仿了相似 CountDownLatch 的用法，在子线程执行结束之后，主线程继续执行。只不过 Semaphore 和 CountDownLatch 区别最大的是：

Semaphore 是从指定数值开始减少，直到达到许可数量，而后被阻塞线程开始继续执行。

CountDownLatch 是从指定数量的线程开始缩小，直到为 0 时，被阻塞的线程开始继续执行。

当然这只是最简略的用法，除此让主线程期待，同样也能够让其余线程期待，而后再开始执行。

Semaphore 和 AQS 有什么关系？
Semaphore 和 CountDownLatch 有什么区别？

通过类图能够看出在 Semaphore 外面有一个动态外部类 Sync 继承了 AQS，同时为了辨别偏心和非偏心的状况，Sync 别离有两个子类：NonfairSync、FairSync。

上面依据案例别离从构造函数、acquire()、release() 动手，从而理解外部实现原理。

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

初始化默认非偏心锁，同时须要传入指定许可数，能够看到这块代码是调用的 AQS 的 setState(permits) 办法。代码如下：

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

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

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

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

setState 办法其实就是对 AQS 的 state 进行赋值。

补充

在 ReentrantLock 中 state 代表加锁状态，0 没有线程取得锁，大于等于 1 曾经有线程取得锁，大于 1 阐明该取得锁的线程多次重入。

在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表锁的状态。state 为 0，没有线程持有锁，state 的高 16 为代表读锁状态，低 16 为代表写锁状态。通过位运算能够获取读写锁的理论值。

而在这里（CountDownLatch）则代表门闩或者说计数的值。

如果对 state 有所忘记，能够浏览后面的 AQS、CAS 相干代码。state 在这里代表的是信号量的许可数量。

public void acquire() throws InterruptedException {sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

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

acquire() 和 acquire(int permits) 调用的都是 sync.acquireSharedInterruptibly(permits) 办法，只不过一个反对传递参数，一个默认为 1。

acquireSharedInterruptibly 办法，其实就是 Sync 继承自 AQS 的。

这块能够浏览 AQS 的文章，这里简略介绍下：

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);
    }
}

在失败后会应用 doAcquireSharedInterruptibly(arg); 一直获取资源；
final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 会创立节点以共享模式放到队列里；
在循环中一直判断前一个节点，如果是 head，则尝试获取共享资源；
在共享模式下获取到资源后会应用 setHeadAndPropagate(node, r); 设置头节点，同时唤醒后续节点。

tryAcquireShared 是须要子类实现，也就是在 Semaphore.Sync 的实现类中实现了，这里以 FairSync 做解说：


static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

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

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {
            // 如果后面有节点，则间接返回 -1 示意失败
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            // 获取以后信号量
            int available = getState();
            // 获取以后残余量
            int remaining = available - acquires;
            // 如果小于 0 或者 CAS 设置信号量胜利 则间接返回
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
}

而这段代码的含意：

如果后面有节点，则间接阻塞；
如果以后残余信号量小于 0，则返回负值，间接阻塞；
如果以后残余量大于等于 0，会 CAS 更新信号量，并返回非正数。

这块数值的含意，在 AQS 中定义了，含意如下：

小于 0: 示意失败；

等于 0: 示意共享模式获取资源胜利，但后续的节点不能以共享模式获取胜利;

大于 0: 示意共享模式获取资源胜利，后续节点在共享模式获取也可能会胜利，在这种状况下，后续期待线程必须查看可用性。

public void release() {sync.releaseShared(1);
}
public void release(int permits) {if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

公布许可证的给定数量，该数量减少可用的许可数量。看其外部调用的是 Sync 的 releaseShared，其实就是 AQS 的对应办法：


public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

如果实现 tryReleaseShared 返回 true，以共享模式开释资源。其中的 tryReleaseShared 局部由 Semaphore.Sync 中实现，逻辑如下：


protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {
        // 获取以后 state
        int current = getState();
        // 对 state 进行减少
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // 应用 CAS 赋值
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

通过下面代码能够看出，在 Semaphore 的 release 办法中次要就是对 state 进行减少，减少胜利后会调用 AQS 的 doReleaseShared 办法唤醒头节点。

Q: 既然 Semaphore 也是基于 AQS，那在 Semaphore 中 state 的含意代表什么？
A: 在 Semaphore 中 state 代表许可数量，acquire 办法当许可小于指定数量会阻塞线程，release 办法减少许可当许可减少胜利则唤醒阻塞节点。

Q: Semaphore 基于 AQS 具体是怎么实现的呢？
A:

初始设置 state 的初始值，即初始许可数量。
acquire 办法设置指标数量，当指标数量大于以后数量时，会阻塞线程并将其放到阻塞队列中。此处基于 AQS 实现。
release 对 state 进行减少，胜利后会调用 AQS 的 doReleaseShared 唤醒头结点。同样是基于 AQS 实现。

Q: Semaphore 和 CountDownLatch 有什么区别？
A: Semaphore 的计数器是递减的，而 CountDownLatch 是递加的。相同点就是计数器都不能够重置。

在浏览 Semaphore 源码过程中，发现其次要性能都是基于 AQS 实现的，能够回顾浏览 AQS 的相干笔记。同样 Semaphore 也反对偏心和非偏心模式，这块就须要小伙伴本人去浏览啦。

关于java:使用递增计数器的线程同步工具-信号量它的原理是什么样子的

介绍

根本应用

问题疑难

源码剖析

根本构造

初始化

acquire()

release()

总结

Q&A

结束语