文章目录

• • 1 Semaphore 是什么？
  • 2 Semaphore 充当互斥锁
  • 3 Semaphore 源码解析
  • 4 Semaphore 主要方法
  • 5 Semaphore 应用案例

1 Semaphore 是什么？

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Semaphore，一个计数信号量，JDK 1.5 开始提供的一个同步工具。Semaphore 信号量被用来限制对某些资源同时访问的线程数量。例如接口限流，控制一个文件允许的并发访问数等等。

从概念上讲，Semaphore 维护着一组许可证，每一个需要访问资源的线程都需要从 Semaphore 拿到许可证。

其实，没有真正意义上的许可证对象，Semaphore 是通过维护一个数字来代表可获取的许可证数量，并进行加减操作。每一个调用 acquire 方法的线程会阻塞直到拿到许可证为止；调用 release 方法则会向 Semaphore 增加一个许可证。

而且使用 Semaphore 时，锁还可以被其他线程释放（即增加许可证），这在某些特定情况下非常有用，例如可用于死锁的解除。

package com.chenpi;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Description
 * @Author 陈皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  public static void main(String[] args) {

    // 许可证数量为2，即代表同时只能有2个线程能访问资源
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          semaphore.acquire();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行...");
          TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5) + 1);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束执行...");
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          semaphore.release();
        }
      }).start();
    }
  }
}

// 输出结果如下
Thread-1开始执行...
Thread-0开始执行...
Thread-1结束执行...
Thread-3开始执行...
Thread-3结束执行...
Thread-2开始执行...
Thread-0结束执行...
Thread-4开始执行...
Thread-4结束执行...
Thread-2结束执行...

2 Semaphore 充当互斥锁

---

只有一个许可证的信号量，可用作互斥锁（类似于 synchronized ），也通常被称为二进制信号量，因为它只有两种状态，一种状态是当前有一个许可证可被获取，另一种状态是当前没有许可证可被获取。

package com.chenpi;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Semaphore;

/**
 * @Description
 * @Author 陈皮
 * @Date 2021/7/11
 * @Version 1.0
 */
public class ChenPiMain {

  // 共享资源
  private static int count = 0;
  // 线程数量
  private static final int MAX_THREAD = 1000;

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

    // 许可证数量为1，充当互斥锁
    Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    List<Thread> threads = new ArrayList<>(MAX_THREAD);

    for (int i = 0; i < MAX_THREAD; i++) {
      Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
          semaphore.acquire();
          // 每一个线程都对共享资源操作  
          count++;
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          semaphore.release();
        }
      });
      threads.add(thread);
      thread.start();
    }

    for (Thread thread : threads) {
      thread.join();
    }

    System.out.println(count); // 输出结果1000

  }
}

3 Semaphore 源码解析

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Semaphore 的类结构图如下：

Semaphore 底层主要通过 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）来实现的。我们在构造 Semaphore 时，传入的许可证数量，最终传递给了 AQS 的 state 属性，许可证数量即代表允许同时多少线程访问资源。

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    static final class NonfairSync extends Sync {

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

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

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

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {
    
    private volatile int state;0
    
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }
    ...
}

Semaphore 的构造方法接收的许可证数量参数，值可以为负数，这样的话需要保证在调用 acquires 方法之前调用过 releases 方法来增加许可证，不然会导致没有线程能获取到许可证。

// 许可证数量为负数
Semaphore semaphore = new Semaphore(-1);
// 所以需要先调用release，那么acquires方法才有意义
semaphore.release();
semaphore.release();
...
semaphore.acquire();

其实 Semaphore 的重点还是 AQS（AbstractQueuedSynchronizer），它只是对 AQS 的封装调整而已。Semaphore 类内部定义了一个抽象静态内部类 Sync，它负责 Semaphore 的同步实现，Sync 还继承了抽象类 AQS，所以间接使用了 AQS 类的相关方法。

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

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

Semaphore 的构造方法不仅接收许可证数量，还可以接收一个布尔类型的参数 fairness ，代表是否为公平锁模式还是非公平锁模式。

如果为公平锁则可以使最先调用 acquire 方法的线程优先获取许可证，即阻塞队列中排在前面的线程优先获取到许可证（FIFO）。

如果是非公平锁，则不保证线程获得许可证的顺序，即使阻塞队列中有等待的线程，一个新调用 acquire 的线程会先尝试获取许可证，如果许可证数量不满足才插入队列中进行排队。即一个线程 a 调用 acquire 方法尝试获取许可时，这时刚好有线程 b 释放了许可，并唤醒阻塞队列中第一个等待的线程 b，此时线程a 和线程 b 会共同竞争释放出来的许可证，即线程 a 没有进阻塞队列等待就和线程 b 一起竞争许可证了。

注意，FIFO 排序必须适用于这些方法中的特定内部执行点。 因此，一个线程可能在另一个线程之前调用 acquire 方法，但可能在另一个线程之后到达排序点，类似地，从方法返回时也是如此。所以不能绝对认为先调用 acquire 方法的线程一定先获取到许可证。

还有，不计时的 tryAcquire 方法不会遵循公平原则，它也是会获取目前可用的许可证，而不管前面是否有线程在排队。

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

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

NonfairSync 和 FairSync 两个 final 类都是 Sync 的子类，即公平版本和非公平版本。他们都重写了 tryAcquireShared 方法，这个是定义在 AQS 类的方法（方法实现只抛出异常，即要求让实现类重写），

非公平锁模式下尝试获取共享锁的源代码如下，会发现线程直接尝试获取许可，如果许可不够才进入阻塞队列。

// 自旋 + CAS 尝试获取锁
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        // 可获得的许可证数量
        int available = getState();
        // 预期剩余的许可证数量
        int remaining = available - acquires;
        // 如果许可证数量小于0或者cas设置state成功，则退出
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

公平锁模式下尝试获取共享锁的源代码如下，会发现线程尝试获取许可之前，会先判断队列中是否有线程在等待。

// 自旋 + CAS 尝试获取锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        // 判断等待队列是否有线程
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        // 可获得的许可证数量
        int available = getState();
        // 预期剩余的许可证数量
        int remaining = available - acquires;
        // 如果许可证数量小于0或者cas设置state成功，则退出
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

通常情况下，semaphore 被用于控制资源的线程访问数量时，一般初始化为公平锁，这样不会产生饥饿线程。当然，当 semaphore 用于其他类型的同步控制的时候，非公平锁的吞吐量优于公平锁的。

对于释放许可证，源码如下，也是基于 cas 机制进行释放许可证。

public void release() {
    // 释放一个许可证
    sync.releaseShared(1);
}

public final boolean releaseShared(int arg) {
    // 尝试释放
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 唤醒阻塞的线程
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

// 自旋 + CAS 尝试释放锁
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        // 负数代表越界
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

内存一致性协议，release 方法调用 happen-before 于 acquire 方法调用。

默认情况下，我们一般一个线程获取一个许可，或者释放一个许可。当然，Semaphore 也支持一次获取或者释放多个许可的，源码如下所示：

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

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

acquire() 方法是获取许可时，是可被中断的，如果想不被中断，可以使用 acquireUninterruptibly() 方法，

// 可被中断模式
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    // 检测线程是否被中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 此方法内部也会抛出中断异常
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}


// 不可被中断模式
public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

上面提到的 acquire 如果获取不到许可证的时候，是会一直阻塞的。如果向此时获取不到许可的话，不阻塞马上返回或者等待指定的时间，可以调用如下方法：

// 尝试获取共享锁，不阻塞。而且不管公平还是非公平模式，都不遵循FIFO原则
public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

// 计时的尝试获取共享锁
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

4 Semaphore 主要方法

---

• void acquire()：获取一个许可证，在获得一个许可证前线程将一直阻塞，或者线程被中断。
• void acquire(int permits)：获取指定数量的许可证，在获得一个许可证前线程将一直阻塞，或者线程被中断。
• boolean tryAcquire(int permits)：尝试获取指定数量的许可证，不阻塞。
• boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)：尝试在指定时间内获取指定数量的许可证。
• void release()：释放一个许可证，将其返回给信号量。
• void release(int permits)：释放给定数量的许可证，将它们返回给信号量。
• int availablePermits()：返回当前可用的许可证数，此方法通常用于调试和测试目的。
• boolean hasQueuedThreads()：查询是否有线程正在等待获取。
• int drainPermits()：一次性取走剩下的所有许可证。
• Collection<Thread> getQueuedThreads()：获取在排队中的线程列表。
• int getQueueLength()：获取排队列表的长度。
• boolean hasQueuedThreads()：阻塞队列中是否还有等待的线程。
• void reducePermits(int reduction)：减少指定数量的许可证，不会唤醒阻塞中的线程。

5 Semaphore 应用案例

---

下面介绍下 Semaphore 的简单应用，即某公司只有2个厕所坑位，每一个坑位同时只允许一个员工带薪拉屎使用，而且上厕所讲究先来后到，所以使用公平锁模式。

package com.chenpi;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Description
 * @Author 陈皮
 * @Date 2021/9/11
 * @Version 1.0
 */
public class Pool {
  // 代表厕所的个数
  private static final int MAX_AVAILABLE = 2;
  private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

  // 争抢厕所  
  public Toilet getItem() throws InterruptedException {
    available.acquire();
    return getNextAvailableItem();
  }

  // 使用完退回厕所  
  public void putItem(Toilet x) {
    if (markAsUnused(x)) {
      available.release();
    }
  }

  // 资源，2个厕所
  protected Toilet[] items = {new Toilet("一号厕所"), new Toilet("二号厕所")};
  // 标识厕所是否在使用中
  protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

  protected synchronized Toilet getNextAvailableItem() {
    for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
      if (!used[i]) {
        used[i] = true;
        return items[i];
      }
    }
    return null;
  }

  protected synchronized boolean markAsUnused(Toilet item) {
    for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
      if (item == items[i]) {
        if (used[i]) {
          used[i] = false;
          return true;
        } else {
          return false;
        }
      }
    }
    return false;
  }

  public static void main(String[] args) {

    Pool pool = new Pool();

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          Toilet toilet = pool.getItem();
          SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始使用" + toilet.getName() + ","
              + "时间：" + sdf.format(new Date()));
          TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5) + 1);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束使用" + toilet.getName() + ","
              + "时间：" + sdf.format(new Date()));
          pool.putItem(toilet);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }, "陈皮" + i).start();
    }
  }
}

// 厕所类
class Toilet {

  private String name;

  public Toilet(String name) {
    this.name = name;
  }

  public String getName() {
    return name;
  }

  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }
}

// 输出结果如下
陈皮0开始使用一号厕所,时间：21:12:43
陈皮1开始使用二号厕所,时间：21:12:43
陈皮1结束使用二号厕所,时间：21:12:47
陈皮2开始使用二号厕所,时间：21:12:47
陈皮2结束使用二号厕所,时间：21:12:48
陈皮0结束使用一号厕所,时间：21:12:48
陈皮3开始使用二号厕所,时间：21:12:48
陈皮4开始使用一号厕所,时间：21:12:48
陈皮4结束使用一号厕所,时间：21:12:49
陈皮5开始使用一号厕所,时间：21:12:49
陈皮5结束使用一号厕所,时间：21:12:51
陈皮6开始使用一号厕所,时间：21:12:51
陈皮3结束使用二号厕所,时间：21:12:53
陈皮7开始使用二号厕所,时间：21:12:53
陈皮7结束使用二号厕所,时间：21:12:55
陈皮8开始使用二号厕所,时间：21:12:55
陈皮8结束使用二号厕所,时间：21:12:56
陈皮9开始使用二号厕所,时间：21:12:56
陈皮6结束使用一号厕所,时间：21:12:56
陈皮9结束使用二号厕所,时间：21:13:00

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本次分享到此结束啦~~

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