多线程进阶——JUC并发编程之Semaphore源码一探究竟?
1、学习切入点
百度翻译如下：
计数信号量。从概念上讲，信号量维护一组许可。如果需要，每个acquire（）都会阻塞，直到有许可证可用，然后获取它。每个release（）添加一个许可，可能释放一个阻塞的收单机构。但是，并没有使用实际的许可对象；信号量只是保持一个可用数量的计数，并相应地进行操作。
2、案例引入
public class SemaphoreDemo {
public static void main(String[] args) {
// 线程数量：停车位! 限流！
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
for (int i = 1; i <=6 ; i++) {
new Thread(()->{
// acquire() 得到
try {
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到车位");
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"离开车位");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release(); // release() 释放
}
},String.valueOf(i)).start();
}
}
}
3、入手构造函数
/** 创建具有给定许可数和非空公平设置的信号量 */
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
/** 创建具有给定许可数和给定公平性设置的信号量 */
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}上面两个构造函数，默认构造函数是非公平锁来实现，通过设置构造参数 fail 来选用公平策略还是非公平策略。
所谓公平和非公平的意思是：假设现在有一个线程A在等待获取锁，这时候又来了一个线程B，如果这个时候B 不考虑A的感受，也去申请锁，这显然是不公平的；反之，只要A 是先来的，B一定排在A 的后面，不能马上去申请锁，这就是公平策略。
4、入手核心方法
/** 尝试获取锁资源，获取到了则立即返回并跳出方法，没有获取到则该方法阻塞等待*/
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//检测线程中断标志位
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//尝试获取共享资源锁，小于0表示获取失败，此方法由AQS的具体子类来实现
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
//将尝试获取锁资源的线程进行入队操作
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
/** 1、公平策略实现方式*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {//自旋操作
if (hasQueuedPredecessors())//检测线程是否有阻塞队列，这里是和非公平策略唯一多个判断的地方
return -1;
int available = getState();//获取锁资源的最新内存值
int remaining = available - acquires;//计算得到剩下的许可数量
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))//CAS原子操作共享资源
return remaining;//上层根据这个返回值进行判断是否需要入队操作
}
}
/** 2、非公平策略实现方式*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {//自旋操作
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}4.1、【doAcquireSharedInterruptibly】获取共享资源失败进入这个方法
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
//创建共享模式节点
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {//自旋死循环操作
final Node p = node.predecessor();//获取节点的前驱节点
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {//说明已经成功获取到共享资源了
setHeadAndPropagate(node, r);//把当前node节点设置为head节点
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//根据前驱节点看看是否需要休息下
parkAndCheckInterrupt())//阻塞操作，正常情况下获取不到共享锁，代码就这这个方法stop了，until 被唤醒！
//被唤醒后，发现parkAndCheckInterrupt()里面检测了被中断了的话，则补上中断异常
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}这个方法的逻辑与独占模式下的逻辑差不多，当所有的坑都被占用的时候，在来的线程都会被封装成共享模式节点，添加到等待队列里面去。而共享模式是实现多个坑同时提供服务的核心。
再来看看坑释放的过程，从【release】方法进去，核心在【tryReleaseShared】方法
4.2、【release】方法释放坑源码分析
public void release() {
sync.releaseShared(1);//释放一个许可资源
}
//父类AQS的一个释放共享资源基类方法
//releaseShared主要是进行共享资源的释放，如果成功释放共享资源的话，则唤醒等待队列中的节点，如果失败则返回false，由上层调用方决定如何处理！
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {//AQS子类实现，尝试释放共享资源
doReleaseShared();//自旋操作，唤醒后继节点
return true;
}
return false;
}
/** 核心方法 NonfairSync 和 FairSync 的父类 Sync 类的 tryReleaseShared 方法 */
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {//自旋
int current = getState();
int next = current + releases;//对许可数量进行加法操作
//int类型值小于0，是因为该int类型的state状态值溢出了，溢出的话，说明这个锁很难释放，可能出问题了
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;//返回成功标志，告诉上层该线程已经释放了共享资源
}
}如果获取共享资源成功的话，会进入【doReleaseShared】这个方法
4.3、【doReleaseShared】源码分析
/** 主要是释放共享许可证，但是最重要的是保证唤醒后继节点的传递，来让这些线程释放他们所持有的信号量 */
private void doReleaseShared() {
for (;;) {//自旋
Node h = head;//每次都是取队列头结点
if (h != null && h != tail) {//若头结点不为空且也不是队尾节点
int ws = h.waitStatus;//那么就获取头结点的状态值
if (ws == Node.SIGNAL) {//若头结点是SIGNAL状态则后继节点需要被唤醒了
//通过CAS尝试设置头结点的状态为空状态，失败的话，则继续loop，因为并发有可能其它地方也在进行释放操作
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);//唤醒头结点的后继节点
}
//如果头结点为空状态，则把其改为PROPAGATE状态，失败的话则可能是并发修改，再循环CAS
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
//若头结点没有发生变化，则说明上述设置以及完成，大功告成，功成身退
//若发生变化，可能是操作过程中头结点有了新增或者啥的，那么必须重试，以保证唤醒动作可以延续传递
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}5、回顾总结
最后我们梳理下Semaphore 的流程的一些特性：
1、管理一系列许可证，即state共享资源值；
2、获取许可证的时候acquire一次【int remaining = available - acquires】则state就减少一次，直到许可证数量小于0则阻塞等待；
3、释放许可证的时候release一次【int next = current + releases】对许可数量进行加法操作，要保证唤醒后继节点，以此来保证线程释放它们锁持有的信号量；
4、是Synchronized的升级版，因为Synchronized是只有一个许可证，而semaphore就像开挂一样，可以有多个许可证。
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