1. 简介
简单描述Semaphore 的功能，那就是信号量 Semaphore 是一个控制访问多个共享资源的计数器，和 CountDownLatch 一样，其本质上是一个“共享锁”
2. 实现原理
- 在Semaphore声明阶段对许可量进行初始化，配置许可量数量permit
- 调用acquire方法会获取permit，这里默认获取一个，也可以传入获取的许可量数量一次获取多个；当信号量数量为0时调用线程会进入阻塞等待状态；信号量的获取方法提供了公平锁、非公平锁获取两种方式
- 调用release方法会释放permit，将信号量归还以供其他线程获取
3. 源码结构
- J.U.C包中的最核心部分就是AQS的实现，它是JDK并发工具的实现基石，Semaphore 是基于AQS进行实现的
- acquire、release方法分别调用了AQS的tryAcquireShared、tryReleaseShared方法对AQS的共享变量state进行操作；基于自身Sync提供了FairSync公平锁、NonFairSync非公平锁的实现
- acquire方法获取许可量，支持单个或多个获取，即信号量递减；当许可量为0时，进行线程阻塞等待
- release方法用来控制许可量，对其进行释放，即信号量增加
4. 源码剖析
4.1 acquire方法
- 调用acquire() 方法，开始获取信号量许可
- 该方法内部使用 AQS 的 acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法
- 在内部类提供了FairSync和NonFairSync两种实现重写 tryAcquireShared(int arg) 的方法，即公平锁、非公平锁的实现
- 通过AQS中的getState() 方法，获取同步状态，即信号量许可数
- 如果计数器值等于 0，则会自旋，尝试一直去获取直到许可数大于0，即有可以允许的信号量为止
4.2 release方法
- 调用release() 方法，来释放信号量，或者说是归还信号量，实际是将信号量增加，可以让其他线程有机会获取到共享变量进行执行
- 内部调用AQS的releaseShared() 方法
- Sync重写了tryReleaseShared() 方法，这里和CountDownLatch的实现类似
- 释放锁，也就是操作计数器的过程，这里使用到了CAS（compareAndSetState）进行计数更新，若更新失败则进行自旋重试直到成功为止
5. 实战用例
汽车准乘人数有限，模拟两个旅行团乘客上车
/**
* created by guanjian on 2020/12/28 15:31
*/
public class SemaphoreTest {
//模拟汽车准乘人数
private final static Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
//A旅行团人数5人
private final static int A_NUMS = 5;
//B旅行团人数5人
private final static int B_NUMS = 5;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//A旅行团上车
new Thread(() -> {
IntStream.range(0,A_NUMS).forEach(x->{
try {
System.out.format("当前汽车准乘人数=%s \n", semaphore.availablePermits());
semaphore.acquireUninterruptibly();
System.out.println("A旅行团上车1人 \n");
Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
System.out.format("剩余汽车准乘人数=%s \n", semaphore.availablePermits());
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
});
}).start();
//B旅行团上车
new Thread(() -> {
IntStream.range(0,B_NUMS).forEach(x->{
try {
System.out.format("当前汽车准乘人数=%s \n", semaphore.availablePermits());
semaphore.acquireUninterruptibly();
System.out.println("B旅行团上车1人 \n");
Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
System.out.format("剩余汽车准乘人数=%s \n", semaphore.availablePermits());
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
});
}).start();
}
}
6. 总结
- 实现本质还是通过操作AQS的state实现多线程的通信交互
- 相比CountDownLatch的实现，Semaphore可以对state进行数量的增加、减少的单个或多个操作
- 获取共享变量的实现，即获取锁的实现提供了公平锁、非公平锁的实现，选择性更多
- 释放锁即变更共享变量递增的实现，通过自旋锁和CAS配合完成，这与其他JUC并发工具如CountDownLatch类似
