本文是JUC第二十八讲,JUC工具类: Semaphore详解。Semaphore底层是基于AbstractQueuedSynchronizer来实现的。Semaphore称为计数信号量,它允许n个任务同时访问某个资源,可以将信号量看做是在向外分发使用资源的许可证,只有成功获取许可证,才能使用资源。
请带着这些问题继续后文,会很大程度上帮助你更好的理解相关知识点。
public class Semaphore implements java.io.Serializable {}
说明: Semaphore实现了Serializable接口,即可以进行序列化。
Semaphore总共有三个内部类,并且三个内部类是紧密相关的,下面先看三个类的关系。
说明:Semaphore 与 ReentrantLock 的内部类的结构相同,类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类,NonfairSync 与 FairSync类继承自Sync类,Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer 抽象类。下面逐个进行分析。
Sync类的源码如下
// 内部类,继承自AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 版本号
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
// 构造函数
Sync(int permits) {
// 设置状态数
setState(permits);
}
// 获取许可
final int getPermits() {
return getState();
}
// 共享模式下非公平策略获取
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
// 无限循环
for (;;) {
// 获取许可数
int available = getState();
// 剩余的许可
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining)) // 许可小于0或者比较并且设置状态成功
return remaining;
}
}
// 共享模式下进行释放
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
// 无限循环
for (;;) {
// 获取许可
int current = getState();
// 可用的许可
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next)) // 比较并进行设置成功
return true;
}
}
// 根据指定的缩减量减小可用许可的数目
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) { // 无限循环
// 获取许可
int current = getState();
// 可用的许可
int next = current - reductions;
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
if (compareAndSetState(current, next)) // 比较并进行设置成功
return;
}
}
// 获取并返回立即可用的所有许可
final int drainPermits() {
for (;;) { // 无限循环
// 获取许可
int current = getState();
// 许可为0或者比较并设置成功
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
return current;
}
}
}
说明:Sync类的属性相对简单,只有一个版本号,Sync类存在如下方法和作用如下。
NonfairSync 类继承了Sync类,表示采用非公平策略获取资源,其只有一个tryAcquireShared 方法,重写了AQS的该方法,其源码如下:
static final class NonfairSync extends Sync {
// 版本号
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
// 构造函数
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
// 共享模式下获取
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}
说明: 从tryAcquireShared方法的源码可知,其会调用父类Sync的 nonfairTryAcquireShared 方法,表示按照非公平策略进行资源的获取。
FairSync 类继承了Sync类,表示采用公平策略获取资源,其只有一个 tryAcquireShared 方法,重写了AQS的该方法,其源码如下:
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) { // 无限循环
// 同步队列中存在其他节点
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
// 获取许可
int available = getState();
// 剩余的许可
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining)) // 剩余的许可小于0或者比较设置成功
return remaining;
}
}
说明: 从tryAcquireShared方法的源码可知,它使用公平策略来获取资源,它会判断同步队列中是否存在其他的等待节点。
public class Semaphore implements java.io.Serializable {
// 版本号
private static final long serialVersionUID = -3222578661600680210L;
// 属性
private final Sync sync;
}
说明:Semaphore 自身只有两个属性,最重要的是sync属性,基于Semaphore对象的操作绝大多数都转移到了对sync的操作。
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
说明:该构造函数会创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的Semaphore。
Semaphore(int, boolean)
型构造函数public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
说明: 该构造函数会创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore。
此方法从信号量获取一个(多个)许可,在提供一个许可前一直将线程阻塞,或者线程被中断,其源码如下
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
说明:该方法中将会调用Sync对象的 acquireSharedInterruptibly (从AQS继承而来的方法)方法,而 acquireSharedInterruptibly 方法在上一篇CountDownLatch中已经进行了分析,在此不再累赘。
最终可以获取大致的方法调用序列(假设使用非公平策略)。如下图所示。
说明:上图只是给出了大体会调用到的方法,和具体的示例可能会有些差别,之后会根据具体的示例进行分析。
此方法释放一个(多个)许可,将其返回给信号量,源码如下。
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
说明: 该方法中将会调用Sync对象的releaseShared(从AQS继承而来的方法)方法,而releaseShared方法在上一篇CountDownLatch中已经进行了分析,在此不再累赘。
最终可以获取大致的方法调用序列(假设使用非公平策略)。如下图所示:
说明: 上图只是给出了大体会调用到的方法,和具体的示例可能会有些差别,之后会根据具体的示例进行分析。
下面给出了一个使用Semaphore的示例。
import java.util.concurrent.Semaphore;
class MyThread extends Thread {
private Semaphore semaphore;
public MyThread(String name, Semaphore semaphore) {
super(name);
this.semaphore = semaphore;
}
public void run() {
int count = 3;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " trying to acquire");
try {
semaphore.acquire(count);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire successfully");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release(count);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release successfully");
}
}
}
public class SemaphoreDemo {
public final static int SEM_SIZE = 10;
public static void main(String[] args) {
Semaphore semaphore = new Semaphore(SEM_SIZE);
MyThread t1 = new MyThread("t1", semaphore);
MyThread t2 = new MyThread("t2", semaphore);
t1.start();
t2.start();
int permits = 5;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " trying to acquire");
try {
semaphore.acquire(permits);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire successfully");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release successfully");
}
}
}
运行结果(某一次):
main trying to acquire
main acquire successfully // 主线程获得5个任务
t1 trying to acquire
t1 acquire successfully // t1线程获得3个任务
t2 trying to acquire
t1 release successfully // t1线程释放3个任务
main release successfully // 主线程释放5个任务
t2 acquire successfully // t1线程获得3个任务
t2 release successfully // t1线程释放3个任务
说明:首先,生成一个信号量,信号量有10个许可,然后,main,t1,t2三个线程获取许可运行,根据结果,可能存在如下的一种时序。
说明:如上图所示,首先,main线程执行acquire操作,并且成功获得许可,之后t1线程执行acquire操作,成功获得许可,之后t2执行acquire操作,由于此时许可数量不够,t2线程将会阻塞,直到许可可用。之后t1线程释放许可,main线程释放许可,此时的许可数量可以满足t2线程的要求,所以,此时t2线程会成功获得许可运行,t2运行完成后释放许可。下面进行详细分析。
说明: 此时,可以看到只是AQS的state变为了5,main线程并没有被阻塞,可以继续运行。
说明: 此时,可以看到只是AQS的state变为了2,t1线程并没有被阻塞,可以继续运行。
说明:此时,t2线程获取许可不会成功,之后会导致其被禁止运行,值得注意的是,AQS的state还是为2。
说明:此时,t2线程将会被unpark,并且AQS的state为5,t2获取cpu资源后可以继续运行。
说明:此时,t2线程还会被unpark,但是不会产生影响,此时,只要t2线程获得CPU资源就可以运行了。此时,AQS的state为10。
说明:此时,可以看到,Sync queue 中只有一个结点,头节点与尾节点都指向该结点,在setHeadAndPropagate 的函数中会设置头节点并且会 unpark队列中的其他结点。
说明:t2线程经过release后,此时信号量的许可又变为10个了,此时Sync queue中的结点还是没有变化。
不同于 CyclicBarrier 和 ReentrantLock,单独使用 Semaphore 是不会使用到AQS的条件队列的,其实,只有进行 await操作 才会进入条件队列,其他的都是在同步队列中,只是当前线程会被park。
答案:拿不到令牌的线程阻塞,不会继续往下运行。
答案:线程阻塞,不会继续往下运行。可能你会考虑类似于锁的重入的问题,很好,但是,令牌没有重入的概念。你只要调用一次acquire方法,就需要有一个令牌才能继续运行。
答案:能,原因是release方法会添加令牌,并不会以初始化的大小为准。
答案:能,原因是release会添加令牌,并不会以初始化的大小为准。Semaphore中release方法的调用并没有限制要在acquire后调用。
具体示例如下,如果不相信的话,可以运行一下下面的demo,在做实验之前,笔者也认为应该是不允许的。
public class TestSemaphore2 {
public static void main(String[] args) {
int permitsNum = 2;
final Semaphore semaphore = new Semaphore(permitsNum);
try {
System.out.println("availablePermits:" + semaphore.availablePermits() + ",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):" + semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
semaphore.release();
System.out.println("availablePermits:" + semaphore.availablePermits() + ",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):" + semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
}catch (Exception e) {
}
}
}