Java Semaphore信號量使用分析講解
前言
大家應(yīng)該都用過synchronized 關(guān)鍵字加鎖,用來保證某個時刻只允許一個線程運行。那么如果控制某個時刻允許指定數(shù)量的線程執(zhí)行,有什么好的辦法呢? 答案就是JUC提供的信號量Semaphore。
介紹和使用
Semaphore(信號量)可以用來限制能同時訪問共享資源的線程上限,它內(nèi)部維護了一個許可的變量,也就是線程許可的數(shù)量
Semaphore的許可數(shù)量如果小于0個,就會阻塞獲取,直到有線程釋放許可
Semaphore是一個非重入鎖
API介紹
構(gòu)造方法
public Semaphore(int permits):permits表示許可線程的數(shù)量public Semaphore(int permits, boolean fair):fair表示公平性,如果設(shè)為true,表示是公平,那么等待最久的線程先執(zhí)行
常用API
public void acquire():表示一個線程獲取1個許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)減少一個public void release():表示釋放1個許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)會增加
其他API
void acquire(int permits):表示一個線程獲取n個許可,這個數(shù)量由參數(shù)permits決定void release(int permits):表示一個線程釋放n個許可,這個數(shù)量由參數(shù)permits決定int availablePermits():返回當(dāng)前信號量線程許可數(shù)量int getQueueLength(): 返回等待獲取許可的線程數(shù)的預(yù)估值
基本使用
public static void main(String[] args) {
// 1. 創(chuàng)建 semaphore 對象
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
// 2. 10個線程同時運行
for (int i = 0; i < 8; i++) {
new Thread(() -> {
// 3. 獲取許可
try {
semaphore.acquire();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
log.debug("running...");
sleep(1);
log.debug("end...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 4. 釋放許可
semaphore.release();
}
}).start();
}
}運行結(jié)果:

原理介紹

上面是Semaphore的類結(jié)構(gòu)圖,其中FairSync和NonfairSync是它的內(nèi)部類,他們共同繼承了AQS類,AQS的共享模式提供了Semaphore的加鎖、解鎖。
為了更好的搞懂原理,我們通過一個例子來幫助我們理解。
假設(shè)Semaphore 的 permits為 3,這時 5 個線程來獲取資源,其中Thread-1,Thread-2,Thread-4CAS 競爭成功,permits 變?yōu)?0,而 Thread-0 和 Thread-3 競爭失敗。

獲取許可acquire()
acquire()主方法會調(diào)用sync.acquireSharedInterruptibly(1)方法acquireSharedInterruptibly()方法會先調(diào)用tryAcquireShared()方法返回許可的數(shù)量,如果小于0個,調(diào)用doAcquireSharedInterruptibly()方法進入阻塞
// acquire() -> sync.acquireSharedInterruptibly(1),可中斷
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 嘗試獲取通行證,獲取成功返回 >= 0的值
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 獲取許可證失敗,進入阻塞
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}tryAcquireShared()方法在終會調(diào)用到Sync#nonfairTryAcquireShared()方法nonfairTryAcquireShared()方法中會減去獲取的許可數(shù)量,返回剩余的許可數(shù)量
// tryAcquireShared() -> nonfairTryAcquireShared()
// 非公平,公平鎖會在循環(huán)內(nèi) hasQueuedPredecessors()方法判斷阻塞隊列是否有臨頭節(jié)點(第二個節(jié)點)
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 獲取 state ,state 這里【表示通行證】
int available = getState();
// 計算當(dāng)前線程獲取通行證完成之后,通行證還剩余數(shù)量
int remaining = available - acquires;
// 如果許可已經(jīng)用完, 返回負(fù)數(shù), 表示獲取失敗,
if (remaining < 0 ||
// 許可證足夠分配的,如果 cas 重試成功, 返回正數(shù), 表示獲取成功
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}- 如果剩余的許可數(shù)量<0, 會調(diào)用
doAcquireSharedInterruptibly()方法將當(dāng)前線程加入到阻塞隊列中阻塞 - 方法中調(diào)用
parkAndCheckInterrupt()阻塞當(dāng)前線程
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) {
// 將調(diào)用 Semaphore.aquire 方法的線程,包裝成 node 加入到 AQS 的阻塞隊列中
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
// 獲取標(biāo)記
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// 前驅(qū)節(jié)點是頭節(jié)點可以再次獲取許可
if (p == head) {
// 再次嘗試獲取許可,【返回剩余的許可證數(shù)量】
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 成功后本線程出隊(AQS), 所在 Node設(shè)置為 head
// r 表示【可用資源數(shù)】, 為 0 則不會繼續(xù)傳播
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 不成功, 設(shè)置上一個節(jié)點 waitStatus = Node.SIGNAL, 下輪進入 park 阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
// 被打斷后進入該邏輯
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}最終的AQS狀態(tài)如下圖所示:
Thread-1、Thread-2、Thread-4正常運行- AQS的
state也就是等于0 Thread-0、Thread-3再阻塞隊列中

釋放許可release()
現(xiàn)在Thread-4運行完畢,要釋放許可,Thread-0、Thread-3又是如何恢復(fù)執(zhí)行的呢?
- 調(diào)用
release()方法釋放許可,最終調(diào)用Sync#releaseShared()方法 - 如果方法
tryReleaseShared(arg)嘗試釋放許可成功,那么調(diào)用doReleaseShared();進行喚醒
// release() -> releaseShared()
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 嘗試釋放鎖
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}tryReleaseShared()方法主要是嘗試釋放許可- 獲取當(dāng)前許可數(shù)量 + 釋放的數(shù)量,然后通過cas設(shè)置回去
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 獲取當(dāng)前鎖資源的可用許可證數(shù)量
int current = getState();
int next = current + releases;
// 索引越界判斷
if (next < current)
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// 釋放鎖
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}- 調(diào)用
doReleaseShared()方法喚醒隊列中的線程 - 其中
unparkSuccessor()方法是喚醒的核心操作
// 喚醒
private void doReleaseShared() {
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一個節(jié)點 unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 防止 unparkSuccessor 被多次執(zhí)行
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 喚醒后繼節(jié)點
unparkSuccessor(h);
}
// 如果已經(jīng)是 0 了,改為 -3,用來解決傳播性
else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}最終AQS狀態(tài)如下圖所示:

- 許可state變回1
- 然后
Thread-0開始競爭,如果競爭成功,如下圖所示:

- 由于Thread-0競爭成功,再次獲取到許可,許可數(shù)量減1,最終又變回0
- 然后等待隊列中剩余
Thread-3
總結(jié)
Semaphore信號量類基于AQS的共享鎖實現(xiàn),有公平鎖和非公平鎖兩個版本,它用來限制能同時訪問共享資源的線程上限,典型的應(yīng)用場景是可以用來保護有限的公共資源,比如數(shù)據(jù)庫連接等。
到此這篇關(guān)于Java Semaphore信號量使用分析講解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java Semaphore信號量內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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