Semaphore使用及原理解读_java semaphore

使用

概述

Semaphore（信号量）是Java中一个并发控制工具，用于控制对共享资源的访问。它基于计数器的原理，可以限制同时访问某个资源的线程数量。

在Java中使用Semaphore，你需要按照以下步骤进行操作：

导包： 

import java.util.concurrent.Semaphore;

 创建Semaphore对象：

Semaphore semaphore = new Semaphore(n);

其中，n是允许同时访问共享资源的线程数量。

在需要访问共享资源的代码段前后，使用acquire()和release()方法来获取和释放信号量：

try {
    semaphore.acquire(); // 获取信号量，如果没有可用的许可证，线程将被阻塞
    // 访问共享资源的代码
} catch (InterruptedException e) {
    // 处理中断异常
} finally {
    semaphore.release(); // 释放信号量，增加一个许可证
}

acquire()方法尝试获取一个许可证，如果当前没有可用的许可证，则该线程将被阻塞，直到有可用的许可证为止。release()方法释放一个许可证，使其可供其他线程使用。

通过适当地使用acquire()和release()方法，在超过信号量允许的线程数量时，可以限制并发访问共享资源的线程数量，实现线程间的同步和互斥。

需要注意的是，Semaphore还提供了一些其他方法，如availablePermits()用于获取当前可用的许可证数量，以及tryAcquire()方法在不阻塞线程的情况下尝试获取许可证等。

具体例子 

    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建 semaphore 对象
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        // 2. 10个线程同时运行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 3. 获取许可
 
                try {
                    semaphore.acquire();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    log.debug("running...");
                    sleep(1);
                    log.debug("end...");
                } finally {
                    // 4. 释放许可
 
                    semaphore.release();
                }
            }).start();
        }
 
    }

07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-2] - running...

07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-1] - running...

07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-0] - running...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-2] - end...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-0] - end...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-1] - end...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-3] - running...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-5] - running...

07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-4] - running...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-5] - end...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-4] - end...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-3] - end...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-6] - running...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-7] - running...

07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-9] - running...

07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-6] - end...

07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-7] - end...

07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-9] - end...

07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-8] - running...

07:35:19.492 c.TestSemaphore [Thread-8] - end...  

源码原理解析

加锁解锁流程原理

Semaphore 有点像一个停车场，permits 就好像停车位数量，当线程获得了 permits 就像是获得了停车位，然后 停车场显示空余车位减一 刚开始，permits（state）为 3，这时 5 个线程来获取资源

假设其中 Thread-1，Thread-2，Thread-4 cas 竞争成功，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败，进入 AQS 队列park 阻塞

接下来 Thread-0 竞争成功，permits 再次设置为 0，设置自己为 head 节点，断开原来的 head 节点，unpark 接 下来的 Thread-3 节点，但由于 permits 是 0，因此 Thread-3 在尝试不成功后再次进入 park 状态

+

源码 

 构造方法有俩个： 

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

创建 Semaphore 具有给定数量的许可和不公平公平设置。
参数：
许可证 – 可用的许可证的初始数量。此值可能为负数，在这种情况下，必须先进行释放，然后才能授予任何收购。 

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

创建具有给定数量的许可和给定公平性设置的 。Semaphore
参数：
许可证 – 可用的许可证的初始数量。此值可能为负数，在这种情况下，必须先进行释放，然后才能授予任何收购。
公平 – true 如果此信号量将保证在争用中授予先进先出的许可证，否则 false 

    static final class NonfairSync extends Sync {
        private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
 
        NonfairSync(int permits) {
            // permits 即 state
 
            super(permits);
        }
 
        // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
 
        public void acquire() throws InterruptedException {
            sync.acquireSharedInterruptibly(1);
        }
 
        // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 
        public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
                throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            if (tryAcquireShared(arg) < 0)
                doAcquireSharedInterruptibly(arg);
        }
 
        // 尝试获得共享锁
 
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }
 
        // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (
                    // 如果许可已经用完, 返回负数, 表示获取失败, 进入 doAcquireSharedInterruptibly
 
                        remaining < 0 ||
 
                                // 如果 cas 重试成功, 返回正数, 表示获取成功
 
                                compareAndSetState(available, remaining)
                ) {
                    return remaining;
                }
            }
        }
 
        // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 
        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) {
                        // 再次尝试获取许可
 
                        int r = tryAcquireShared(arg);
                        if (r >= 0) {
                            // 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
 
                            // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
 
                            // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
 
                            // r 表示可用资源数, 为 0 则不会继续传播
 
                            setHeadAndPropagate(node, r);
                            p.next = null; // help GC
 
                            failed = false;
                            return;
                        }
                    }
                    // 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
 
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
 
                            parkAndCheckInterrupt())
                        throw new InterruptedException();
                }
            } finally {
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
 
        // Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
 
        public void release() {
            sync.releaseShared(1);
        }
 
        // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
 
        public final boolean releaseShared(int arg) {
            if (tryReleaseShared(arg)) {
                doReleaseShared();
                return true;
            }
            return false;
        }
 
        // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }
    }