Semaphore使用及原理解读
使用
概述
Semaphore（信号量）是Java中一个并发控制工具，用于控制对共享资源的访问。它基于计数器的原理，可以限制同时访问某个资源的线程数量。
在Java中使用Semaphore，你需要按照以下步骤进行操作：
导包：
import java.util.concurrent.Semaphore;
创建Semaphore对象：
Semaphore semaphore = new Semaphore(n);
其中，n是允许同时访问共享资源的线程数量。
在需要访问共享资源的代码段前后，使用acquire()和release()方法来获取和释放信号量：
try {
semaphore.acquire(); // 获取信号量，如果没有可用的许可证，线程将被阻塞
// 访问共享资源的代码
} catch (InterruptedException e) {
// 处理中断异常
} finally {
semaphore.release(); // 释放信号量，增加一个许可证
}
acquire()方法尝试获取一个许可证，如果当前没有可用的许可证，则该线程将被阻塞，直到有可用的许可证为止。release()方法释放一个许可证，使其可供其他线程使用。
通过适当地使用acquire()和release()方法，在超过信号量允许的线程数量时，可以限制并发访问共享资源的线程数量，实现线程间的同步和互斥。
需要注意的是，Semaphore还提供了一些其他方法，如availablePermits()用于获取当前可用的许可证数量，以及tryAcquire()方法在不阻塞线程的情况下尝试获取许可证等。
具体例子
public static void main(String[] args) {
// 1. 创建 semaphore 对象
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
// 2. 10个线程同时运行
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
// 3. 获取许可
try {
semaphore.acquire();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
log.debug("running...");
sleep(1);
log.debug("end...");
} finally {
// 4. 释放许可
semaphore.release();
}
}).start();
}
}07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-2] - running...
07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-1] - running...
07:35:15.485 c.TestSemaphore [Thread-0] - running...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-2] - end...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-0] - end...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-1] - end...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-3] - running...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-5] - running...
07:35:16.490 c.TestSemaphore [Thread-4] - running...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-5] - end...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-4] - end...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-3] - end...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-6] - running...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-7] - running...
07:35:17.490 c.TestSemaphore [Thread-9] - running...
07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-6] - end...
07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-7] - end...
07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-9] - end...
07:35:18.491 c.TestSemaphore [Thread-8] - running...
07:35:19.492 c.TestSemaphore [Thread-8] - end...
源码原理解析
加锁解锁流程原理
Semaphore 有点像一个停车场，permits 就好像停车位数量，当线程获得了 permits 就像是获得了停车位，然后 停车场显示空余车位减一 刚开始，permits（state）为 3，这时 5 个线程来获取资源
假设其中 Thread-1，Thread-2，Thread-4 cas 竞争成功，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败，进入 AQS 队列park 阻塞
接下来 Thread-0 竞争成功，permits 再次设置为 0，设置自己为 head 节点，断开原来的 head 节点，unpark 接 下来的 Thread-3 节点，但由于 permits 是 0，因此 Thread-3 在尝试不成功后再次进入 park 状态
+
源码
构造方法有俩个：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}创建 Semaphore 具有给定数量的许可和不公平公平设置。
参数：
许可证 – 可用的许可证的初始数量。此值可能为负数，在这种情况下，必须先进行释放，然后才能授予任何收购。
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}创建具有给定数量的许可和给定公平性设置的 。Semaphore
参数：
许可证 – 可用的许可证的初始数量。此值可能为负数，在这种情况下，必须先进行释放，然后才能授予任何收购。
公平 – true 如果此信号量将保证在争用中授予先进先出的许可证，否则 false
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
NonfairSync(int permits) {
// permits 即 state
super(permits);
}
// Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
// 尝试获得共享锁
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
// Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (
// 如果许可已经用完, 返回负数, 表示获取失败, 进入 doAcquireSharedInterruptibly
remaining < 0 ||
// 如果 cas 重试成功, 返回正数, 表示获取成功
compareAndSetState(available, remaining)
) {
return remaining;
}
}
}
// AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
// 再次尝试获取许可
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
// r 表示可用资源数, 为 0 则不会继续传播
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// Semaphore 方法, 方便阅读, 放在此处
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
// AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
// Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
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;
}
}
}