多线程分析之Semaphore

Semaphore分析由来

　　网上看了许多讲解Semaphore的，用Semaphore来实现顺序打印字母，但是可能大家都没有清楚具体的原因，所以来给大家分析下为什么可以使用Semaphore来实现顺序打印字母顺序。

Semaphore源码分析

　　先打开JDK8源码中的Semaphore，可以看到Semaphore是通过继承AQS来现实功能（AQS，Doug Lea大神重写并发包的核心，这个默认自己看过哈，其实蛮简单，核心原理：通过模板方法，完成流程调用，让子类实现具体方法，然后实现不同功能）。

说正事，我们贴出一张Semaphore的层级关系图。

在Semaphore中主要是Sync类实现AbstractQueuedSynchronizer，然后Sync又有两个实现类，分别是FaireSync和NonfairSync，即公平锁和非公平锁。我们来看下Sync中的部分源码：

/**
 * Synchronization implementation for semaphore.  Uses AQS state
 * to represent permits. Subclassed into fair and nonfair
 * versions. （使用AQS的state变量来代表许可，注释这段还是蛮重要）
 */
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

　　// 在构造函数中传入许可数
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }
　　
　　// 获取许可数量
    final int getPermits() {
        return getState();
    }
　　// 非公平锁获取许可方式
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
　　// 归还许可，更新可用许可数量
    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;
        }
    }
　　// 减少许可， 获取时需要减少许可数量
    final void reducePermits(int reductions) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            int next = current - reductions;
            if (next > current) // underflow
                throw new Error("Permit count underflow");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return;
        }
    }

}

在类中，没有特别难的方法，都是都过CAS来进行操作，用AQS中的state来当作许可。好了，有了这一部分基础，我们可以去看看大家是如何使用Semaphore来实现顺序打印的。还是先为大家贴上代码：

/**

 * <br>使用信号量顺序打印</br>

 *

 * @author lifacheng

 * @version 1.0

 * @date 2019/6/18 11:08

 * @since 1.0

 */

public class Thread11 {

    private static Semaphore semaphore1 = new Semaphore(0);

    private static Semaphore semaphore2 = new Semaphore(1);

    Thread t1, t2;

    int count = 10;

    public Thread11() {

        t1 = new Thread() {

            public void run() {

                try {

                    int i = 0;

                    while(i++ < count) {

                        //获得许可

                        semaphore2.acquire();

                        System.out.print("A");

                        //初始化许可为0，处于阻塞，当release获取许可、

                        semaphore1.release();

                    }

                } catch (Exception e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }

        };

        t2 = new Thread() {

            public void run() {

                try {

                    int i = 0;

                    while(i++ < count) {

                        semaphore1.acquire();

                        System.out.print("B");

                        semaphore2.release();

                    }

                } catch (InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }

        };

    }

    public void run() {

        t1.start();

        t2.start();

    }

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

        Thread11 t = new Thread11();

        t.run();

    }

}

在代码一开始，初始化了两个信号量，分别为：semaphore1，semaphore2，semaphore1的许可书为0个，semaphore2的许可书为1个。

acquire()源码分析

　　在线程t1的run()方法中，semaphore2执行了acquire()方法，我们打开源码看看这段逻辑是什么，

　　代码调用了sync中的acquireSharedInterruptibly()方法，此时我们要注意，传入的参数是1个（这个很重要）。我们接着往下找，找到这个是AQS中实现的方法。

　　我们找到具体的实现类中的方法，即tryAcquireShare(arg)这个在Semaphore中实现的方法。（在tryAcquireShare(arg)<0时，会进去doAcquireSharedInterruptibly()方法中，当获取小于0会处于阻塞状态）

）

　　我们可以看到有Semaphore有两个实现类，分别是公平和非公平两种实现，我们点进去看看到底有何不同。

　　公平：

　　非公平：

　　我们看到，公平就比非公平多了一个判断，这个判断就是判断是否是头节点（就不点进去看了哈）。

　　至此，我们可以看到，acquire()方法具体实现就是获取了一个许可。我们接着看代码，然后输出字符A，semaphore1执行了release()方法。

release()方法分析

　　我们点进release方法查看，

　　按照和acquire()的相同的逻辑，最后找到如上这段代码，即在执行release()方法时，会增加1个许可。

代码逻辑

　　自此我们知道代码的逻辑了，来具体分析下代码。

　　当线程t1和t2同时开始运行，这个t1开始执行获取到许可，然后输出A，这是就算t2拿到CPU执行权，由于初始化许可数为0，这时acquire()方法获取不到许可，处于阻塞状态。只有当t1中的semaphore1执行了release()方法时，才会增加一个许可，t2获取到CPU执行权后才会执行。假设此时t1又获取到CPU执行权，但是由于只有一个许可，开始获取过许可，再此获取会失败，也会处于阻塞状态，只有t2线程中semaphore2执行了release()方法才会增加一个许可，然后t1才会再次获取成功并执行。

　　代码充分使用了许可数量来控制线程的执行，当线程执行时，相互唤醒，增加许可数量。有点像wait和notify的概念，但是更高级，我们可以增加semaphore来控制多个线程执行顺序。这下次就分析清楚了，为什么初始化0个许可数的semaphore仍然可以用来控制。可以说相当神奇。我们也对AQS的强大有了一个小小的了解。

总结

　　AQS的强大一时半会说不清楚，希望大家多看看源码，结合百家之所长，来提升自己。