Semaphore实现原理分析

synchronized的语义是互斥锁，就是在同一时刻，只有一个线程能获得执行代码的锁。但是现实生活中，有好多的场景，锁不止一把。

比如说，又到了十一假期，买票是重点，必须圈起来。在购票大厅里，有5个售票窗口，也就是说同一时刻可以服务5个人。要实现这种业务需求，用synchronized显然不合适。

查看Java并发工具，发现有一个Semaphore类，天生就是处理这种情况的。

先用Semaphore实现一个购票的小例子，来看看如何使用

 

package semaphore;import java.util.concurrent.Semaphore;public class Ticket {    public static void main(String[] args) {        Semaphore windows = new Semaphore(5);  // 声明5个窗口                for (int i = 0; i < 8; i++) {            new Thread() {                @Override                public void run() {                    try {                        windows.acquire();  // 占用窗口                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始买票");                        sleep(2000);  // 睡2秒，模拟买票流程                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 购票成功");                        windows.release();  // 释放窗口                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }            }.start();        }    }}

 

运行结果

Thread-1: 开始买票Thread-3: 开始买票Thread-4: 开始买票Thread-2: 开始买票Thread-0: 开始买票Thread-1: 购票成功Thread-5: 开始买票Thread-3: 购票成功Thread-2: 购票成功Thread-4: 购票成功Thread-7: 开始买票Thread-6: 开始买票Thread-0: 购票成功Thread-7: 购票成功Thread-5: 购票成功Thread-6: 购票成功

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从结果来看，最多只有5个线程在购票。而这么精确的控制，我们也只是调用了acquire和release方法。下面看看是如何实现的。

从acquire方法进去，又可以看到老套路：具体调用的还是AbstractQueuedSynchronizer这个类的逻辑

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        if (tryAcquireShared(arg) < 0)            doAcquireSharedInterruptibly(arg);    }

而tryAcquireShared方法留给了子类去实现，Semaphore类里面的两个内部类FairSync和NonfairSync都继承自AbstractQueuedSynchronizer。这两个内部类，从名字来看，一个实现了公平锁，另一个是非公平锁。这里多说一句，所谓公平和非公平是这个意思：假设现在有一个线程A在等待获取锁，这时候又来了线程B，如果这个时候B不考虑A的感受，也去申请锁，显然不公平；反之，只要A是先来的，B一定要排在A的后面，不能马上去申请锁，就是公平的。

Semaphore默认是调用了NonfairSync的tryAcquireShared方法，主要逻辑：

        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {            for (;;) {                int available = getState();                int remaining = available - acquires;                if (remaining < 0 ||                    compareAndSetState(available, remaining))                    return remaining;            }        }

这又是一个经典的CAS操作加无限循环的算法，用来保证共享变量的正确性。另外，此处的getState()方法很是迷惑人，你以为是获取状态，实则不然。我们先看看Semaphore的构造方法：

    public Semaphore(int permits) {        sync = new NonfairSync(permits);    }        // 内部类        NonfairSync(int permits) {            super(permits);        }        // 内部类，NonfairSync的父类        Sync(int permits) {            setState(permits);        }

我们传进去的参数5，最终传给了setState方法，而getState和setState方法都在AbstractQueuedSynchronizer类里面

    /**     * The synchronization state.     */    private volatile int state;    protected final int getState() {        return state;    }    protected final void setState(int newState) {        state = newState;    }

也就是说父类定义了一个属性state，并配有final的get和set方法，子类只需要继承该属性，想代表什么含义都可以，比如Semaphore里面的内部类Sync就把这个属性当作最大允许访问的permits，像CountDownLatch和CyclicBarrier都是这么干的。这种方式似乎不太好理解，为什么不是每个子类都定义自己的具有明确语义的属性，而是把控制权放在父类？？？我猜是出于安全的考虑。反正，大师的思考深度，我们揣摩不了。

再回到tryAcquireShared方法，这个方法是有参数的---int型的acquires，代表你要一次占几个坑。我们调用的无参的acquire方法，默认是传入1作为参数调用的这个方法，一次只申请一个坑。但是有的情况下，你可能一次需要多个，比如高富帅需要同时交多个女朋友。方法的返回值是剩余的坑的数量，如果数量小于0，执行AbstractQueuedSynchronizer这个类的doAcquireSharedInterruptibly方法。

    /**     * Acquires in shared interruptible mode.     * @param arg the acquire argument     */    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) {                    int r = tryAcquireShared(arg);                    if (r >= 0) {                        setHeadAndPropagate(node, r);                        p.next = null; // help GC                        failed = false;                        return;                    }                }                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                    parkAndCheckInterrupt())                    throw new InterruptedException();            }        } finally {            if (failed)                cancelAcquire(node);        }    }

这个方法的逻辑与独占模式下的逻辑差不多，可以看看之前讲Condition的那篇，出门一路左拐。当所有的坑都被占着的时候，再来的线程都会被封装成节点，添加到等待的队列里面去。不同的是，这里的节点都是共享模式，而共享模式是实现多个坑同时提供服务的核心。

再来看看坑的释放，从release方法进去，核心逻辑在tryReleaseShared方法：

        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;            }        }

CAS、无限循环，熟悉的配方，熟悉的味道。同获取一样，这里也可以一次释放多个坑。然而，这里考虑到了next小于current的情况，我是绞尽脑汁也没想出来。传进来的releases一般都是大于0的整数（大部分情况下就是1），最终还是会造成next小于current，实在是想不出来，而且还是抛出Error。但是这种情况，通过代码可以精确的再现。好吧，是在下输了。如果读者中有高人，请指点一二，不胜感激！！！

前面这么多都只是分析了非公平模式下的处理逻辑，而公平模式下的逻辑多了一个判断，就是看看前面还有没有线程在等待（节点有没有前驱）。具体的细节，希望读者自己玩味。

最后总结一下：所有的并发核心控制逻辑都在AbstractQueuedSynchronizer这个类中，只有理解了这个类的设计思路，才能真正理解衍生出来的工具类的实现原理。