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1. 概述
Semaphore 是并发包中的一个工具类，可理解为信号量。通常可以作为限流器使用，即限制访问某个资源的线程个数，比如用于限制连接池的连接数。
打个通俗的比方，可以把 Semaphore 理解为一辆公交车：车上的座位数（初始的“许可” permits 数量）是固定的，行驶期间如果有人上车（获取许可），座位数（许可数量）就会减少，当人满的时候不能再继续上车了（获取许可失败）；而有人下车（释放许可）后就空出了一些座位，其他人就可以继续上车了。
下面具体分析其代码实现。
2. 代码分析
Semaphore 的方法如下：
其中主要方法是 acquire() 和 release() 相关的一系列方法，它们的作用类似。我们先从构造器开始分析。
- 构造器
private final Sync sync;
// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，非公平
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，指定是否公平
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}构造器初始化了 Sync 变量，根据传入的 fair 值指定为 FairSync 或 NonFairSync，下面分析这三个类。
- 内部嵌套类 Sync
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
// 构造器，将父类 AQS 的 state 变量初始化为给定的 permits
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
// 非公平方式尝试获取许可（减少 state 的值）
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
// 自旋操作
for (;;) {
// 获取许可值（state），并尝试 CAS 修改为减去后的结果
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
// 释放许可（增加 state 的值）
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 操作与获取类似，不同的在于此处是增加 state 值
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
// 一些方法未给出...
}可以看到 Sync 类继承自 AQS，并重写了 AQS 的 tryReleaseShared 方法，其中获取和释放许可分别对应的是对 AQS 中 state 值的减法和加法操作。具体可参考前文对 AQS 共享模式的分析「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)」。
- NonFairSync (非公平版本实现)
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
// 调用父类 Sync 的构造器来实现
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
// 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，代码实现在父类 Sync 中
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}- FairSync (公平版本实现)
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
// 构造器调用父类 Sync 的构造器来实现
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
// 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，尝试获取许可（permit）
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 若队列中有其他线程等待，则获取失败（这就是体现“公平”的地方）
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
// 获取当前的许可值
int available = getState();
// 计算剩余值
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}PS: 体现“公平”的地方在于 tryAcquireShared 方法中，公平的版本会先判断队列中是否有其它线程在等待（hasQueuedPredecessors 方法）。
主要方法的代码实现：
// 获取一个许可（可中断）
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 获取一个许可（不响应中断）
public void acquireUninterruptibly() {
sync.acquireShared(1);
}
// 尝试获取一个许可
public boolean tryAcquire() {
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
// 尝试获取一个许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
// 释放一个许可
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}还有一系列类似的操作，只不过获取/释放许可的数量可以指定：
// 获取指定数量的许可（可中断）
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
// 获取指定数量的许可（不可中断）
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireShared(permits);
}
// 尝试获取指定数量的许可
public boolean tryAcquire(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}
// 尝试获取指定数量的许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}
// 释放指定数量的许可
public void release(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.releaseShared(permits);
}可以看到，Semaphore 的主要方法都是在嵌套类 FairSync 和 NonFairSync 及其父类 Sync 中实现的，内部嵌套类也是 AQS 的典型用法。
3. 场景举例
为了便于理解 Semaphore 的用法，下面简单举例分析（仅供参考）：
public class SemaphoreTest {
public static void main(String[] args) {
// 初始化 Semaphore
// 这里的许可数为 2，即同时最多有 2 个线程可以获取到
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
for (int i = 0; i < 50; i++) {
new Thread(() -> {
try {
// 获取许可
semaphore.acquire();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行..");
// 模拟操作
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放许可
semaphore.release();
}
}).start();
}
}
}
/* 执行结果（仅供参考）：
Thread-0 正在执行..
Thread-1 正在执行..
Thread-2 正在执行..
Thread-3 正在执行..
...
*/这里把 Semaphore 的初始许可值设为 2，表示最多有两个线程可同时获取到许可（运行程序可发现线程是两两一起执行的）。设置为其他值也是类似的。
比较特殊的是，如果把 Semaphore 的初始许可值设为 1，可以当做“互斥锁”来使用。
4. 小结
Semaphore 是并发包中的一个工具类，其内部是基于 AQS 共享模式实现的。通常可以作为限流器使用，比如限定连接池等的大小。
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