【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：Semaphore

信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，它本质上是一个“共享锁”。

Java并发提供了两种加锁模式：共享锁和独占锁。前面LZ介绍的ReentrantLock就是独占锁。对于独占锁而言，它每次只能有一个线程持有，而共享锁则不同，它允许多个线程并行持有锁，并发访问共享资源。

独占锁它所采用的是一种悲观的加锁策略，  对于写而言为了避免冲突独占是必须的，但是对于读就没有必要了，因为它不会影响数据的一致性。如果某个只读线程获取独占锁，则其他读线程都只能等待了，这种情况下就限制了不必要的并发性，降低了吞吐量。而共享锁则不同，它放宽了加锁的条件，采用了乐观锁机制，它是允许多个读线程同时访问同一个共享资源的。

Semaphore简介

Semaphore，在API中是这样介绍的，一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。下面LZ以理发为例来简述Semaphore。

为了简单起见，我们假设只有三个理发师、一个接待人。一开始来了五个客人，接待人则安排三个客人进行理发，其余两个人必须在那里等着，此后每个来理发店的人都必须等待。一段时间后，一个理发师完成理发后，接待人则安排另一个人（公平还是非公平机制呢？？）来理发。在这里理发师则相当于公共资源，接待人则相当于信号量（Semaphore），客户相当于线程。

进一步讲，我们确定信号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1；

当信号量Semaphore = 1 时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

Semaphore源码分析

Semaphore的结构如下：

从上面可以看出，Semaphore和ReentrantLock一样，都是包含公平锁（FairySync）和非公平锁（NonfairSync），两个锁都是继承Sync，而Sync也是继承自AQS。其构造函数如下：

/**     * 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。     */    public Semaphore(int permits) {        sync = new NonfairSync(permits);    }        /**     * 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。     */    public Semaphore(int permits, boolean fair) {        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);    }

信号量的获取：acquire()

在ReentrantLock中已经阐述过，公平锁和非公平锁获取锁机制的差别：对于公平锁而言，如果当前线程不在CLH队列的头部，则需要排队等候，而非公平锁则不同，它无论当前线程处于CLH队列的何处都会直接获取锁。所以公平信号量和非公平信号量的区别也一样。

public void acquire() throws InterruptedException {        sync.acquireSharedInterruptibly(1);    }        public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        if (tryAcquireShared(arg) < 0)            doAcquireSharedInterruptibly(arg);    }

对于公平信号量和非公平信号量，他们机制的差异就体现在traAcquireShared()方法中：

公平锁

protected int tryAcquireShared(int acquires) {        for (;;) {            //判断该线程是否位于CLH队列的列头，如果是的话返回 -1,调用doAcquireSharedInterruptibly()            if (hasQueuedPredecessors())                return -1;            //获取当前的信号量许可            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;                        //如果剩余信号量 > 0 ,则设置“可获取的信号量”为remaining            if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))                return remaining;        }    }

tryAcquireShared是尝试获取 信号量，remaining表示下次可获取的信号量。

对于hasQueuedPredecessors、compareAndSetState在ReentrantLock中已经阐述了，hasQueuedPredecessors用于判断该线程是否位于CLH队列列头，compareAndSetState用于设置state的，它是进行原子操作的。代码如下：

public final boolean hasQueuedPredecessors() {        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order        Node h = head;        Node s;        return h != t &&            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());    }    protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);    }

doAcquireSharedInterruptibly源代码如下：

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)            throws InterruptedException {            /*             * 创建CLH队列的node节点，Node.SHARED表示该节点为共享锁             */            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);            boolean failed = true;            try {                for (;;) {                    //获取该节点的前继节点                    final Node p = node.predecessor();                    //当p为头节点时，基于公平锁机制，线程尝试获取锁                    if (p == head) {                        //尝试获取锁                        int r = tryAcquireShared(arg);                            if (r >= 0) {                            setHeadAndPropagate(node, r);                              p.next = null; // help GC                            failed = false;                            return;                        }                    }                    //判断当前线程是否需要阻塞，如果阻塞的话，则一直处于阻塞状态知道获取共享锁为止                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&                        parkAndCheckInterrupt())                        throw new InterruptedException();                }            } finally {                if (failed)                    cancelAcquire(node);            }        }

doAcquireSharedInterruptibly主要是做两个工作；1、尝试获取共享锁，2、阻塞线程直到线程获取共享锁。

addWaiter(Node.SHARED)：创建”当前线程“的Node节点，且Node中记录的锁的类型是”共享锁“(Node.SHARED)；并将该节点添加到CLH队列末尾。

shouldParkAfterFailedAcquire：如果在尝试获取锁失败之后，线程应该等待，返回true；否则返回false。

parkAndCheckInterrupt：当前线程会进入等待状态，直到获取到共享锁才继续运行。

对于addWaiter、shouldParkAfterFailedAcquire、parkAndCheckInterruptLZ在“【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：ReentrantLock之二lock方法分析”中详细介绍了。

非公平锁

对于非公平锁就简单多了，她没有那些所谓的要判断是不是CLH队列的列头，如下：

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

在非公平锁中，tryAcquireShared直接调用AQS的nonfairTryAcquireShared()。通过上面的代码我可看到非公平锁并没有通过if (hasQueuedPredecessors())这样的条件来判断该节点是否为CLH队列的头节点，而是直接判断信号量。

信号量的释放：release()

信号量Semaphore的释放和获取不同，它没有分公平锁和非公平锁。如下：

public void release() {        sync.releaseShared(1);    }    public final boolean releaseShared(int arg) {        //尝试释放共享锁        if (tryReleaseShared(arg)) {            doReleaseShared();            return true;        }        return false;    }

release()释放线索所占有的共享锁，它首先通过tryReleaseShared尝试释放共享锁，如果成功直接返回，如果失败则调用doReleaseShared来释放共享锁。

tryReleaseShared：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {        for (;;) {            int current = getState();            //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数            int next = current + releases;            if (next < current) // overflow                throw new Error("Maximum permit count exceeded");            //设置可获取的信号许可数为next            if (compareAndSetState(current, next))                return true;        }    }

doReleaseShared：

private void doReleaseShared() {            for (;;) {                //node 头节点                Node h = head;                //h != null,且h　!= 尾节点                if (h != null && h != tail) {                    //获取h节点对应线程的状态                    int ws = h.waitStatus;                    //若h节点状态为SIGNAL，表示h节点的下一个节点需要被唤醒                    if (ws == Node.SIGNAL) {                        //设置h节点状态                        if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))                            continue;                        //唤醒h节点对应的下一个节点                        unparkSuccessor(h);                    }                    //若h节点对应的状态== 0 ，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;                                }                //h == head时，则退出循环，若h节点发生改变时则循环继续                if (h == head)                                      break;            }        }

在这里有关的方法，请参考：【Java并发编程实战】—–“J.U.C”：ReentrantLock之三unlock方法分析。

实例

该实例来源于《java7并发编程实战手册》

打印任务：

public class PrintQueue {    private final Semaphore semaphore;   //声明信号量        public PrintQueue(){        semaphore = new Semaphore(1);    }        public void printJob(Object document){        try {            semaphore.acquire();//调用acquire获取信号量            long duration = (long) (Math.random() * 10);            System.out.println( Thread.currentThread().getName() +                     "PrintQueue : Printing a job during " + duration);            Thread.sleep(duration);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }  finally{            semaphore.release();  //释放信号量        }    }}

Job:

public class Job implements Runnable{    private PrintQueue printQueue;        public Job(PrintQueue printQueue){        this.printQueue = printQueue;    }        @Override    public void run() {        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Going to print a job");        printQueue.printJob(new Object());        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " the document has bean printed");    }}

Test：

public class Test {    public static void main(String[] args) {        Thread[] threads = new Thread[10];                PrintQueue printQueue = new PrintQueue();                for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){            threads[i] = new Thread(new Job(printQueue),"Thread_" + i);        }                for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){            threads[i].start();        }    }}

运行结果：

Thread_0 Going to print a jobThread_0PrintQueue : Printing a job during 1Thread_4 Going to print a jobThread_1 Going to print a jobThread_2 Going to print a jobThread_3 Going to print a jobThread_0 the document has bean printedThread_4PrintQueue : Printing a job during 7Thread_4 the document has bean printedThread_1PrintQueue : Printing a job during 1Thread_2PrintQueue : Printing a job during 3Thread_1 the document has bean printedThread_2 the document has bean printedThread_3PrintQueue : Printing a job during 1Thread_3 the document has bean printed

参考资料

1、Java多线程系列–“JUC锁”11之 Semaphore信号量的原理和示例

2、java信号量控制线程打印顺序的示例分享

3、JAVA多线程–信号量(Semaphore)