Java 7之多线程第10篇 - Semaphore

Semaphore用于保存当前可用许可的数量。是通过共享锁实现的。根据共享锁的获取原则，Semaphore分为"公平信号量"和"非公平信号量"。

"公平信号量"和"非公平信号量"的释放信号量的机制是一样的！不同的是它们获取信号量的机制：线程在尝试获取信号量许可时，对于公平信号量而言，如果当前线程不在队列的头部，则排队等候；而对于非公平信号量而言，无论当前线程是不是在队列的头部，它都会直接获取信号量。该差异具体的体现在，它们的tryAcquireShared()函数的实现不同。

如果要使用Semaphore对象时，首先通过构造函数取得对象，如下：

    public Semaphore(int permits) {  // 构造函数默认使用非公平的方式获取        sync = new NonfairSync(permits);    }    public Semaphore(int permits, boolean fair) { // 构造函数中指定获取的方式        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);    }

然后就可以调用Semaphore对象进行信号量的获取了，如下：

public void acquire() throws InterruptedException {    sync.acquireSharedInterruptibly(1);}public void acquire(int permits) throws InterruptedException {    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);}

1、公平信号量的获取

首先来看公平信号量的获取，方法如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)   throws InterruptedException {    // 如果线程是中断状态，则抛出异常    if (Thread.interrupted())        throw new InterruptedException();    // 尝试获取共享锁；获取成功则直接返回，获取失败，则通过doAcquireSharedInterruptibly()获取。    if (tryAcquireShared(arg) < 0)        doAcquireSharedInterruptibly(arg);}

如果tryAcquireShared()方法获取失败，通常会返回一个小于0的数量。Semaphore中公平锁对应的tryAcquireShared()实现如下：

 protected int tryAcquireShared(int acquires) {            for (;;) {                // 判断当前线程是不是队列中的第一个线程。若是的话，则返回-1，跳出死循环                if (hasQueuedPredecessors())                    return -1;                int available = getState();  // 获取当前可用的信号量的许可数                // 设置获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数                int remaining = available - acquires;                // 如果剩余的信号量许可数>=0”，则设置可以获得的信号量许可数为remaining。                if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))                    return remaining;            }        }

返回的是remaining，如果为-1，表示获取失败。如果为>=0，则预示了其他共享获取操作能否成功。

如上方法获取失败后，调用doAcquireSharedInterruptibly()方法，源码如下：

private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)   throws InterruptedException {    // 创建当前线程的Node节点，且Node中记录的锁是共享锁类型；并将该节点添加到队列末尾。    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);    boolean failed = true;    try {        for (;;) {            // 获取上一个节点，如果上一节点是队列的表头，则尝试获取共享锁            final Node p = node.predecessor();            if (p == head) {                long r = tryAcquireShared(arg);                if (r >= 0) {                    setHeadAndPropagate(node, r);                    p.next = null; // help GC                    failed = false;                    return;                }            }            // 当前线程一直等待，直到获取到共享锁。            // 如果线程在等待过程中被中断过，则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())                throw new InterruptedException();        }    } finally {        if (failed)            cancelAcquire(node);    }}

2、非公平信号量的获取

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

在这个方法里调用了如下方法：

 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { // 非公平方式获取共享锁的一定量许可            for (;;) {                int available = getState();                int remaining = available - acquires;                if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))// 如果remaining>=0，则通过CAS方式更新当前许可的数量                    return remaining;            }        }

判断当前剩余的信号量许可数，返回小于0的数表示获取失败，大于等于0表示成功。

非公平和公平主要体现在tryAcquireShared()方法的实现上。

（1）非公平获取   如果当前可用的信号量许可大于等于请求数，则通过CAS修改剩余许可量并返回，如果小于的话，返回小于0的数，表示获取失败。

（2）公平获取  在获取时还会判断。如果当前线程不在队列的头部，则返回-1，排队等候；然后再去判断信号量许可。

3、公平信号量的释放

调用如下方法来释放信号量许可，如下：

public void release() {    sync.releaseShared(1);}public void release(int permits) {    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();    sync.releaseShared(permits);}

调用无参数的release()方法默认只释放一个信号量许可，而下面的可以指定：

 public final boolean releaseShared(int arg) {        if (tryReleaseShared(arg)) {            doReleaseShared();            return true;        }        return false;    }

首先调用tryReleaseShared()方法去释放，源代码如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {    for (;;) {        // 获取可以获得的信号量的许可数        int current = getState();        // 获取释放releases个信号量许可之后，剩余的信号量许可数        int next = current + releases;        if (next < current) // overflow            throw new Error("Maximum permit count exceeded");        // 设置可以获得的信号量的许可数为next        if (compareAndSetState(current, next))            return true;    }}

如果tryReleaseShared()尝试释放共享锁失败，则会调用doReleaseShared()去释放共享锁。doReleaseShared()的源码如下：

private void doReleaseShared() {    for (;;) {        // 获取CLH队列的头节点        Node h = head;        // 如果头节点不为null，并且头节点不等于tail节点。        if (h != null && h != tail) {            // 获取头节点对应的线程的状态            int ws = h.waitStatus;            // 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态，则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。            if (ws == Node.SIGNAL) {                // 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话，则继续循环。                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))                    continue;                // 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。                unparkSuccessor(h);            }            // 如果头节点对应的线程是空状态，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。            else if (ws == 0 &&                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))                continue;                // loop on failed CAS        }        // 如果头节点发生变化，则继续循环。否则，退出循环。        if (h == head)                   // loop if head changed            break;    }}

4、非公平信号量的释放

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

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {    for (;;) {        // 设置可以获得的信号量的许可数        int available = getState();        // 设置获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数        int remaining = available - acquires;        // 如果剩余的信号量许可数>=0，则设置可以获得的信号量许可数为remaining        if (remaining < 0 ||            compareAndSetState(available, remaining))            return remaining;    }}

举个例子，如下：

import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Semaphore; public class SemaphoreTest1 {     private static final int SEM_MAX = 10;    public static void main(String[] args) {         Semaphore sem = new Semaphore(SEM_MAX);        //创建线程池        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);        //在线程池中执行任务        threadPool.execute(new MyThread(sem, 5));        threadPool.execute(new MyThread(sem, 4));        threadPool.execute(new MyThread(sem, 7));        //关闭池        threadPool.shutdown();    }}class MyThread extends Thread {    private volatile Semaphore sem;    // 信号量    private int count;        // 申请信号量的大小     MyThread(Semaphore sem, int count) {        this.sem = sem;        this.count = count;    }    public void run() {        try {            // 从信号量中获取count个许可            sem.acquire(count);            Thread.sleep(2000);            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire count="+count);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        } finally {            // 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。            sem.release(count);            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release " + count + "");        }    }}

某一次运行后的结果如下：

pool-1-thread-1 acquire count=5pool-1-thread-2 acquire count=4pool-1-thread-1 release 5pool-1-thread-2 release 4pool-1-thread-3 acquire count=7pool-1-thread-3 release 7