并发编程Semaphore详解

Semaphore的作用：限制线程并发的数量

位于 java.util.concurrent 下，

构造方法

    // 构造函数  代表同一时间，最多允许permits执行acquire() 和release() 之间的代码。
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    //False：表示非公平信号量，即线程启动的顺序与调用semaphore.acquire() 的顺序无关，也就是线程先启动了并不代表先获得 许可
　 　//True：公平信号量，即线程启动的顺序与调用semaphore.acquire() 的顺序有关，也就是先启动的线程优先获得许可
    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

1. 方法acquire(n) 的功能是每调用1次此方法，就消耗掉n个许可。
2. 方法release(n) 的功能是每调用1次此方法，就动态添加n个许可。
3. 方法acquireUnnterruptibly()作用是是等待进入acquire() 方法的线程不允许被中断。
4. 方法availablePermits() 返回Semaphore对象中当前可以用的许可数。
5. 方法drainPermits() 获取并返回所有的许可个数，并且将可用的许可重置为0
6. 方法 getQueueLength() 的作用是取得等待的许可的线程个数
7. 方法 hasQueueThreads() 的作用是判断有没有线程在等待这个许可
8. 方法tryAcquire() 的作用是尝试获取1个许可。如果获取不到则返回false，通常与if语句结合使用，其具有无阻塞的特点。无阻塞的特点可以使不至于在同步处于一直持续等待的状态。
9. 方法tryAcquire(n) 的作用是尝试获取n个许可，如果获取不到则返回false
10. 方法tryAcquire(long timeout，TimeUnit unit)的作用是在指定的时间内尝试获取1个许可，如果获取不到则返回false
11. 方法tryAcquire(int permits，long timeout，TimeUnit unit) 的作用是在指定的时间内尝试获取n 个许可，如果获取不到则返回false

使用：

多进路-多处理-多出路：允许多个线程同时处理任务

    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(4);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  正在运行");
                    try {
                        semaphore.acquire();// //请求获得许可，如果有可获得的许可则继续往下执行，许可数减1。否则进入阻塞状态
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入，并发数：" + (4-semaphore.availablePermits()));
                        Thread.sleep(3000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"即将离开，并发数：" + (4-semaphore.availablePermits()));
                        semaphore.release();//释放许可，许可数加1
                    }catch( Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

运行结果：

Thread-1  正在运行
Thread-6  正在运行
Thread-7  正在运行
Thread-5  正在运行
Thread-3  正在运行
Thread-2  正在运行
Thread-4  正在运行
Thread-0  正在运行
Thread-5进入，并发数：4
Thread-9  正在运行
Thread-7进入，并发数：3
Thread-8  正在运行
Thread-6进入，并发数：2
Thread-1进入，并发数：1
Thread-7即将离开，并发数：4
Thread-5即将离开，并发数：4
Thread-1即将离开，并发数：4
Thread-2进入，并发数：4
Thread-6即将离开，并发数：4
Thread-4进入，并发数：4
Thread-0进入，并发数：4
Thread-3进入，并发数：3
Thread-3即将离开，并发数：4
Thread-4即将离开，并发数：4
Thread-0即将离开，并发数：4
Thread-2即将离开，并发数：4
Thread-8进入，并发数：4
Thread-9进入，并发数：4
Thread-8即将离开，并发数：2
Thread-9即将离开，并发数：2

当使用：公平锁时：  private static Semaphore semaphore = new Semaphore(num,true);

仔细看结果，就会发现先运行的线程会优先处理

Thread-1  正在运行
Thread-5  正在运行
Thread-5进入，并发数：2
Thread-4  正在运行
Thread-4进入，并发数：3
Thread-2  正在运行
Thread-2进入，并发数：4
Thread-3  正在运行
Thread-0  正在运行
Thread-9  正在运行
Thread-8  正在运行
Thread-7  正在运行
Thread-6  正在运行
Thread-1进入，并发数：1
Thread-4即将离开，并发数：4
Thread-5即将离开，并发数：4
Thread-3进入，并发数：4
Thread-2即将离开，并发数：4
Thread-0进入，并发数：4
Thread-9进入，并发数：4
Thread-1即将离开，并发数：3
Thread-8进入，并发数：4
Thread-3即将离开，并发数：4
Thread-7进入，并发数：4
Thread-9即将离开，并发数：4
Thread-8即将离开，并发数：4
Thread-0即将离开，并发数：4
Thread-6进入，并发数：4
Thread-7即将离开，并发数：2
Thread-6即将离开，并发数：1

2、多进路-单处理-多出路：允许多个线程同时处理任务，但是顺序却是同步的，也就是阻塞的。所以也称单处理。

在代码中加入ReentrantLock对象 ，或者使用synchronized 代码块，保存代码的同步性

或者  上面代码  private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

运行结果：

Thread-0  正在运行
Thread-7  正在运行
Thread-6  正在运行
Thread-2  正在运行
Thread-4  正在运行
Thread-3  正在运行
Thread-5  正在运行
Thread-1  正在运行
Thread-9  正在运行
Thread-0进入，并发数：1
Thread-8  正在运行
Thread-0即将离开，并发数：1
Thread-7进入，并发数：1
Thread-7即将离开，并发数：1
Thread-6进入，并发数：1
Thread-6即将离开，并发数：1
Thread-2进入，并发数：1
Thread-2即将离开，并发数：1
Thread-4进入，并发数：1
Thread-4即将离开，并发数：1
Thread-3进入，并发数：1
Thread-3即将离开，并发数：1
Thread-5进入，并发数：1
Thread-5即将离开，并发数：1
Thread-1进入，并发数：1
Thread-1即将离开，并发数：1
Thread-9进入，并发数：1
Thread-9即将离开，并发数：1
Thread-8进入，并发数：1
Thread-8即将离开，并发数：1

此时，实现了互斥锁的功能。

源码解析

Semaphore内部基于AQS的共享模式，所以实现都委托给了Sync类。
这里就看一下NonfairSync的构造方法：

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

可以看到直接调用了父类的构造方法，Sync的构造方法如下：

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

可以看到调用了setState方法，也就是说AQS中的资源就是许可证的数量。

获取许可

先从获取一个许可看起，并且先看非公平模式下的实现。首先看acquire方法，acquire方法有几个重载，但主要是下面这个方法

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

从上面可以看到，调用了Sync的acquireSharedInterruptibly方法，该方法在父类AQS中，如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        //如果线程被中断了，抛出异常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //获取许可失败，将线程加入到等待队列中
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

AQS子类如果要使用共享模式的话，需要实现tryAcquireShared方法，下面看NonfairSync的该方法实现：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }

该方法调用了父类中的nonfairTyAcquireShared方法，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //获取剩余许可数量
                int available = getState();
                //计算给完这次许可数量后的个数
                int remaining = available - acquires;
                //如果许可不够或者可以将许可数量重置的话，返回
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

从上面可以看到，只有在许可不够时返回值才会小于0，其余返回的都是剩余许可数量，这也就解释了，一旦许可不够，后面的线程将会阻塞。看完了非公平的获取，再看下公平的获取，代码如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                //如果前面有线程再等待，直接返回-1
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                //后面与非公平一样
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

从上面可以看到，FairSync与NonFairSync的区别就在于会首先判断当前队列中有没有线程在等待，如果有，就老老实实进入到等待队列；而不像NonfairSync一样首先试一把，说不定就恰好获得了一个许可，这样就可以插队了。
看完了获取许可后，再看一下释放许可。

释放许可

释放许可也有几个重载方法，但都会调用下面这个带参数的方法，

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

releaseShared方法在AQS中，如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {
        //如果改变许可数量成功
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

AQS子类实现共享模式的类需要实现tryReleaseShared类来判断是否释放成功，实现如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                //获取当前许可数量
                int current = getState();
                //计算回收后的数量
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                //CAS改变许可数量成功，返回true
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

从上面可以看到，一旦CAS改变许可数量成功，那么就会调用doReleaseShared()方法释放阻塞的线

减小许可数量

Semaphore还有减小许可数量的方法，该方法可以用于用于当资源用完不能再用时，这时就可以减小许可证。代码如下：

protected void reducePermits(int reduction) {
        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.reducePermits(reduction);
    }

可以看到，委托给了Sync，Sync的reducePermits方法如下：

 final void reducePermits(int reductions) {
            for (;;) {
                //得到当前剩余许可数量
                int current = getState();
                //得到减完之后的许可数量
                int next = current - reductions;
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                //如果CAS改变成功
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }

从上面可以看到，就是CAS改变AQS中的state变量，因为该变量代表许可证的数量。

获取剩余许可数量

Semaphore还可以一次将剩余的许可数量全部取走，该方法是drain方法，如下：

public int drainPermits() {
        return sync.drainPermits();
    }

Sync的实现如下：

final int drainPermits() {
            for (;;) {
                int current = getState();
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }

可以看到，就是CAS将许可数量置为0。

总结

Semaphore是信号量，用于管理一组资源。其内部是基于AQS的共享模式，AQS的状态表示许可证的数量，在许可证数量不够时，线程将会被挂起；而一旦有一个线程释放一个资源，那么就有可能重新唤醒等待队列中的线程继续执行。

参考： https://www.cnblogs.com/wujiaofen/p/11356436.html

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