Java并发系列之Semaphore源码分析

Semaphore(信号量)是JUC包中比较常用到的一个类，它是AQS共享模式的一个应用，可以允许多个线程同时对共享资源进行操作，并且可以有效的控制并发数，利用它可以很好的实现流量控制。Semaphore提供了一个许可证的概念，可以把这个许可证看作公共汽车车票，只有成功获取车票的人才能够上车，并且车票是有一定数量的，不可能毫无限制的发下去，这样就会导致公交车超载。所以当车票发完的时候(公交车以满载)，其他人就只能等下一趟车了。如果中途有人下车，那么他的位置将会空闲出来，因此如果这时其他人想要上车的话就又可以获得车票了。利用Semaphore可以实现各种池，我们在本篇末尾将会动手写一个简易的数据库连接池。首先我们来看一下Semaphore的构造器。

//构造器1
public Semaphore(int permits) {
  sync = new NonfairSync(permits);
}

//构造器2
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Semaphore提供了两个带参构造器，没有提供无参构造器。这两个构造器都必须传入一个初始的许可证数量，使用构造器1构造出来的信号量在获取许可证时会采用非公平方式获取，使用构造器2可以通过参数指定获取许可证的方式(公平or非公平)。Semaphore主要对外提供了两类API，获取许可证和释放许可证，默认的是获取和释放一个许可证，也可以传入参数来同时获取和释放多个许可证。在本篇中我们只讲每次获取和释放一个许可证的情况。

1.获取许可证

//获取一个许可证(响应中断)
public void acquire() throws InterruptedException {
  sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

//获取一个许可证(不响应中断)
public void acquireUninterruptibly() {
  sync.acquireShared(1);
}

//尝试获取许可证(非公平获取)
public boolean tryAcquire() {
  return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

//尝试获取许可证(定时获取)
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
  return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

上面的API是Semaphore提供的默认获取许可证操作。每次只获取一个许可证，这也是现实生活中较常遇到的情况。除了直接获取还提供了尝试获取，直接获取操作在失败之后可能会阻塞线程，而尝试获取则不会。另外还需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式尝试获取的。在平时我们比较常用到的是acquire方法去获取许可证。下面我们就来看看它是怎样获取的。可以看到acquire方法里面直接就是调用sync.acquireSharedInterruptibly(1)，这个方法是AQS里面的方法，我们在讲AQS源码系列文章的时候曾经讲过，现在我们再来回顾一下。

//以可中断模式获取锁(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  //首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //1.尝试去获取锁
  if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
    //2. 如果获取失败则进人该方法
    doAcquireSharedInterruptibly(arg);
  }
}

acquireSharedInterruptibly方法首先就是去调用tryAcquireShared方法去尝试获取，tryAcquireShared在AQS里面是抽象方法，FairSync和NonfairSync这两个派生类实现了该方法的逻辑。FairSync实现的是公平获取的逻辑，而NonfairSync实现的非公平获取的逻辑。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  //非公平方式尝试获取
  final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
      //获取可用许可证
      int available = getState();
      //获取剩余许可证
      int remaining = available - acquires;
      //1.如果remaining小于0则直接返回remaining
      //2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回remaining
      if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
        return remaining;
      }
    }
  }
}

//非公平同步器
static final class NonfairSync extends Sync {
  private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

  NonfairSync(int permits) {
    super(permits);
  }

  //尝试获取许可证
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
  }
}

//公平同步器
static final class FairSync extends Sync {
  private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

  FairSync(int permits) {
    super(permits);
  }

  //尝试获取许可证
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
      //判断同步队列前面有没有人排队
      if (hasQueuedPredecessors()) {
        //如果有的话就直接返回-1，表示尝试获取失败
        return -1;
      }
      //获取可用许可证
      int available = getState();
      //获取剩余许可证
      int remaining = available - acquires;
      //1.如果remaining小于0则直接返回remaining
      //2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回remaining
      if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
        return remaining;
      }
    }
  }
}

这里需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接调用的是nonfairTryAcquireShared方法，这个方法是在父类Sync里面的。非公平获取锁的逻辑是先取出当前同步状态(同步状态表示许可证个数)，将当前同步状态减去参入的参数，如果结果不小于0的话证明还有可用的许可证，那么就直接使用CAS操作更新同步状态的值，最后不管结果是否小于0都会返回该结果值。这里我们要了解tryAcquireShared方法返回值的含义，返回负数表示获取失败，零表示当前线程获取成功但后续线程不能再获取，正数表示当前线程获取成功并且后续线程也能够获取。我们再来看acquireSharedInterruptibly方法的代码。

//以可中断模式获取锁(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  //首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //1.尝试去获取锁
  //负数：表示获取失败
  //零值：表示当前线程获取成功, 但是后继线程不能再获取了
  //正数：表示当前线程获取成功, 并且后继线程同样可以获取成功
  if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
    //2. 如果获取失败则进人该方法
    doAcquireSharedInterruptibly(arg);
  }
}

如果返回的remaining小于0的话就代表获取失败，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为true，所以接下来就会调用doAcquireSharedInterruptibly方法，这个方法我们在讲AQS的时候讲过，它会将当前线程包装成结点放入同步队列尾部，并且有可能挂起线程。这也是当remaining小于0时线程会排队阻塞的原因。而如果返回的remaining>=0的话就代表当前线程获取成功，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为flase，所以就不会再去调用doAcquireSharedInterruptibly方法阻塞当前线程了。以上是非公平获取的整个逻辑，而公平获取时仅仅是在此之前先去调用hasQueuedPredecessors方法判断同步队列是否有人在排队，如果有的话就直接return -1表示获取失败，否则才继续执行下面和非公平获取一样的步骤。

2.释放许可证

//释放一个许可证
 public void release() {
   sync.releaseShared(1);
 }

调用release方法是释放一个许可证，它的操作很简单，就调用了AQS的releaseShared方法，我们来看看这个方法。

//释放锁的操作(共享模式)
public final boolean releaseShared(int arg) {
  //1.尝试去释放锁
  if (tryReleaseShared(arg)) {
    //2.如果释放成功就唤醒其他线程
    doReleaseShared();
    return true;
  }
  return false;
}

AQS的releaseShared方法首先调用tryReleaseShared方法尝试释放锁，这个方法的实现逻辑在子类Sync里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  ...
  //尝试释放操作
  protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
      //获取当前同步状态
      int current = getState();
      //将当前同步状态加上传入的参数
      int next = current + releases;
      //如果相加结果小于当前同步状态的话就报错
      if (next < current) {
        throw new Error("Maximum permit count exceeded");
      }
      //以CAS方式更新同步状态的值, 更新成功则返回true, 否则继续循环
      if (compareAndSetState(current, next)) {
        return true;
      }
    }
  }
  ...
}

可以看到tryReleaseShared方法里面采用for循环进行自旋，首先获取同步状态，将同步状态加上传入的参数，然后以CAS方式更新同步状态，更新成功就返回true并跳出方法，否则就继续循环直到成功为止，这就是Semaphore释放许可证的流程。

3.动手写个连接池

Semaphore代码并没有很复杂，常用的操作就是获取和释放一个许可证，这些操作的实现逻辑也都比较简单，但这并不妨碍Semaphore的广泛应用。下面我们就来利用Semaphore实现一个简单的数据库连接池，通过这个例子希望读者们能更加深入的掌握Semaphore的运用。

public class ConnectPool {
  
  //连接池大小
  private int size;
  //数据库连接集合
  private Connect[] connects;
  //连接状态标志
  private boolean[] connectFlag;
  //剩余可用连接数
  private volatile int available;
  //信号量
  private Semaphore semaphore;
  
  //构造器
  public ConnectPool(int size) { 
    this.size = size;
    this.available = size;
    semaphore = new Semaphore(size, true);
    connects = new Connect[size];
    connectFlag = new boolean[size];
    initConnects();
  }
  
  //初始化连接
  private void initConnects() {
    //生成指定数量的数据库连接
    for(int i = 0; i < this.size; i++) {
      connects[i] = new Connect();
    }
  }
  
  //获取数据库连接
  private synchronized Connect getConnect(){ 
    for(int i = 0; i < connectFlag.length; i++) {
      //遍历集合找到未使用的连接
      if(!connectFlag[i]) {
        //将连接设置为使用中
        connectFlag[i] = true;
        //可用连接数减1
        available--;
        System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以获取连接   剩余连接数：" + available);
        //返回连接引用
        return connects[i];
      }
    }
    return null;
  }
  
  //获取一个连接
  public Connect openConnect() throws InterruptedException {
    //获取许可证
    semaphore.acquire();
    //获取数据库连接
    return getConnect();
  }
  
  //释放一个连接
  public synchronized void release(Connect connect) { 
    for(int i = 0; i < this.size; i++) {
      if(connect == connects[i]){
        //将连接设置为未使用
        connectFlag[i] = false;
        //可用连接数加1
        available++;
        System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以释放连接   剩余连接数：" + available);
        //释放许可证
        semaphore.release();
      }
    }
  }
  
  //剩余可用连接数
  public int available() {
    return available;
  }
  
}

测试代码：

public class TestThread extends Thread {
  
  private static ConnectPool pool = new ConnectPool(3);
  
  @Override
  public void run() {
    try {
      Connect connect = pool.openConnect();
      Thread.sleep(100); //休息一下
      pool.release(connect);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
      new TestThread().start();
    }
  }

}

测试结果：

我们使用一个数组来存放数据库连接的引用，在初始化连接池的时候会调用initConnects方法创建指定数量的数据库连接，并将它们的引用存放到数组中，此外还有一个相同大小的数组来记录连接是否可用。每当外部线程请求获取一个连接时，首先调用semaphore.acquire()方法获取一个许可证，然后将连接状态设置为使用中，最后返回该连接的引用。许可证的数量由构造时传入的参数决定，每调用一次semaphore.acquire()方法许可证数量减1，当数量减为0时说明已经没有连接可以使用了，这时如果其他线程再来获取就会被阻塞。每当线程释放一个连接的时候会调用semaphore.release()将许可证释放，此时许可证的总量又会增加，代表可用的连接数增加了，那么之前被阻塞的线程将会醒来继续获取连接，这时再次获取就能够成功获取连接了。测试示例中初始化了一个3个连接的连接池，我们从测试结果中可以看到，每当线程获取一个连接剩余的连接数将会减1，等到减为0时其他线程就不能再获取了，此时必须等待一个线程将连接释放之后才能继续获取。可以看到剩余连接数总是在0到3之间变动，说明我们这次的测试是成功的。

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