【多线程并发编程】十四 面试官：说说Java中的信号量？Semaphore

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https://github.com/ITfqyd/cxyxs
本文已记录到github，形成对应专题。

前言

随着18年开始，各个公司的面试难度，也不断在提升，面试也不仅仅停留再ArrayList底层是如何实现的。本文就来介绍一下，我们面试经常会问的一个Semaphore，CountDownLatch、CyclicBarrier都有什么区别。本来 就来说道说道Semaphore。

概念

Semaphore是jdk 1.5以引入的，同版本引入的还有他的两个同胞兄弟，CountDownLatch和CyclicBarrier。位于java.util.concurrent报下，一般简称juc。
一个计数信号量。 在概念上，信号量维持一组许可证，如果有必要，每个acquire()都会阻塞，直到许可证可用，然后才能使用它。 每个release()添加许可证。

应用场景

• 晚上我们去愿者上钩吃烤鱼，可以看到路外面站着一排排的人，都在做着等叫号，实际上也就是获取许可。
• 茅坑的故事，茅坑是固定的，假设为5个，同一时刻来了10个人，还有5个人就得等待。
• 公司园内停车，实际上车位也是固定的，听不下去，保安就会让你停到其他地方(当然，社长，买不起车，所以，就没有这种烦恼)

api接口

方法	描述
Semaphore(int permits)	创建一个 Semaphore与给定数量的许可证和非公平公平设置
Semaphore(int permits, boolean fair)	创建一个 Semaphore与给定数量的许可证和给定的公平设置。
acquire()	从该信号量获取许可证，阻止直到可用
acquire(int permits)	从该信号量获取给定数量的许可证，阻止直到所有可用
release()	释放许可证
release(int permits)	释放一定数量的许可证

• 列举一些常用的api接口

实战

模拟一个餐厅叫号，吃饭，结算的一个场景，有4张单人桌子，来了10个客人过来吃饭的一个场景。通过信号量来实现。

package com.cxyxs.thread.fourteen;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * Description：
 * Author: 程序猿学社
 * Date:  2020/3/6 18:41
 * Modified By:
 */
public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        //4表示4张桌子
        Semaphore semaphore = new Semaphore(4);
        for (int i=0;i<10;i++) {
            final int  index=i;
            new Thread(()->{
                try {
                    //1.被服务员叫号  分发许可证
                    semaphore.acquire();
                    //2.开始吃饭
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被服务员叫号后，准备上桌吃饭");
                    //3.吃饭中  模拟吃饭2s
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    //4.吃完饭,喊服务员结算
                    semaphore.release();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"喊服务员结算!");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            },"客人"+index).start();
        }
    }
}

运行结果

客人0被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人2被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人1被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人3被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人1喊服务员结算!
客人6被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人3喊服务员结算!
客人5被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人4被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人7被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人2喊服务员结算!
客人0喊服务员结算!
客人4喊服务员结算!
客人5喊服务员结算!
客人9被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人8被服务员叫号后，准备上桌吃饭
客人6喊服务员结算!
客人7喊服务员结算!
客人9喊服务员结算!
客人8喊服务员结算!

• 通过上面的结果，我们可以发现，因为只有4张桌子，每次只能容纳4个人，所以每次同时都有4个人得到许可。
• 客人1结算后，客人6就被叫号咯。
• new Semaphore(4)我们应该理解了把，表示同一时刻，只能有多少个线程同时运行。
• Semaphore内部也是基于AQS实现的，也就是AbstractQueuedSynchronizer的简写。
• 默认采用非公平锁。
• 在实际的业务场景中，限流可能会用到。

公平锁

   Semaphore semaphore = new Semaphore(4,true);

• 第二个参数表示，默认为false，表示不公平锁，true为公平锁。
  公平锁，既先进先出，可以理解为消息队列，先生存的消息，在队列的头部。
  不公平锁，既可能存在插队现象。

浅谈源码

Semaphore重构方法

   public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

• 发现有FairSync和NonfairSync两个类,既公平锁和非公平锁。如果为true，则为公平锁。

 private volatile int state;
  /**
     * Sets the value of synchronization state.
     * This operation has memory semantics of a {@code volatile} write.
     * @param newState the new state value
     */
    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

• 实际上，setState这个方法，不要被这个方法名，混淆了我们的视觉，实际上，这个方法就是调用父类AQS的setState，设置计数。

acquire方法获取许可

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

• 不能这是为负数，负数会抛出IllegalArgumentException异常

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

• 减去获取的许可，判断会不会小于0

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

• for (; ) 是不是看起来也很少见，等同于while(true)，实际上在源码里面几乎都是使用的这种方式。指令少，不占用寄存器，而且没有判断跳转
• 判断原有的许可的计数减去需要获取的是否为空。
• 这又是我们的老朋友CAS(compareAndSetState的简称)

打野CAS

简单的理解CAS是怎么一回事。并且，他经常露脸压线，不抓你，抓谁。通过一个简单的小例子，理解一下CAS

  public static void main(String[] args) {
       AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        atomicInteger.compareAndSet(1,2);
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }

• 他的结果是2，why?
• 实际上他的初始化为1，调用compareAndSet方法，会判断跟原来的值是否相等，如果相等，则改为2。是不是还有有点小懵逼。别急。我们来看看他的源码。

 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

• expect 期望的值，update需要修改的值。
• 如果当前的值和我期望的值相等，则改为update参数对应的值。

release释放许可

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

• 调用父类AQS的releaseShared方法

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

• 调用Sync.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;
            }
        }

• 跟获取信号量的源码类似，只是一个是减去releases，释放则为增加releases操作。

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源码学习实际上没有我们想象中的类，最近我们看了几个类，发现底层的调用都类似。
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