Java并发编程中Semaphore计数信号量的示例分析

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Semaphore 是一个计数信号量，它的本质是一个共享锁。信号量维护了一个信号量许可集。线程可以通过调用acquire()来获取信号量的许可；当信号量中有可用的许可时，线程能获取该许可；否则线程必须等待，直到有可用的许可为止。 线程可以通过release()来释放它所持有的信号量许可（用完信号量之后必须释放，不然其他线程可能会无法获取信号量）。

简单示例：

package me.socketthread;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreLearn {   //信号量总数   private static final int SEM_MAX = 12;   public static void main(String[] args) {      Semaphore sem = new Semaphore(SEM_MAX);     //创建线程池     ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(3);     //在线程池中执行任务     threadPool.execute(new MyThread(sem, 7));     threadPool.execute(new MyThread(sem, 4));     threadPool.execute(new MyThread(sem, 2));     //关闭池     threadPool.shutdown();   } }   class MyThread extends Thread {     private volatile Semaphore sem;  // 信号量     private int count;    // 申请信号量的大小           MyThread(Semaphore sem, int count) {       this.sem = sem;       this.count = count;     }     public void run() {       try {        // 从信号量中获取count个许可         sem.acquire(count);         Thread.sleep(2000);         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire count="+count);       } catch (InterruptedException e) {         e.printStackTrace();       } finally {         // 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。         sem.release(count);         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " release " + count + "");       }     }   }

执行结果：

pool-1-thread-2 acquire count=4pool-1-thread-1 acquire count=7pool-1-thread-1 release 7pool-1-thread-2 release 4pool-1-thread-3 acquire count=2pool-1-thread-3 release 2

线程1和线程2会并发执行，因为两者的信号量和没有超过总信号量，当前两个线程释放掉信号量之后线程3才能继续执行。

源码分析：

1、构造函数

在构造函数中会初始化信号量值，这值最终是作为锁标志位state的值

Semaphore sem = new Semaphore(12);//简单来说就是给锁标识位state赋值为12

2、Semaphore.acquire(n);简单理解为获取锁资源，如果获取不到线程阻塞

Semaphore.acquire(n);//从锁标识位state中获取n个信号量，简单来说是state = state-n 此时state大于0表示可以获取信号量，如果小于0则将线程阻塞

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();     //获取锁     sync.acquireSharedInterruptibly(permits);   }

acquireSharedInterruptibly中的操作是获取锁资源，如果可以获取则将state= state-permits，否则将线程阻塞

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)       throws InterruptedException {     if (Thread.interrupted())       throw new InterruptedException();     if (tryAcquireShared(arg) < 0)//tryAcquireShared中尝试获取锁资源       doAcquireSharedInterruptibly(arg); //将线程阻塞   }

tryAcquireShared中的操作是尝试获取信号量值，简单来说就是state=state-acquires ，如果此时小于0则返回负值，否则返回大于新值，再判断是否将当线程线程阻塞

protected int tryAcquireShared(int acquires) {       for (;;) {         if (hasQueuedPredecessors())           return -1;       //获取state值         int available = getState();       //从state中获取信号量         int remaining = available - acquires;         if (remaining < 0 ||           compareAndSetState(available, remaining))         //如果信号量小于0则直接返回，表示无法获取信号量，否则将state值修改为新值           return remaining;       }     }

doAcquireSharedInterruptibly中的操作简单来说是将当前线程添加到FIFO队列中并将当前线程阻塞。

/会将线程添加到FIFO队列中，并阻塞  private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)      throws InterruptedException {      //将线程添加到FIFO队列中      final Node node = addWaiter(Node.SHARED);      boolean failed = true;      try {        for (;;) {          final Node p = node.predecessor();          if (p == head) {            int r = tryAcquireShared(arg);            if (r >= 0) {              setHeadAndPropagate(node, r);              p.next = null; // help GC              failed = false;              return;            }          }          //parkAndCheckInterrupt完成线程的阻塞操作          if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&            parkAndCheckInterrupt())            throw new InterruptedException();        }      } finally {        if (failed)          cancelAcquire(node);      }    }

3、Semaphore.release(int permits)，这个函数的实现操作是将state = state+permits并唤起处于FIFO队列中的阻塞线程。

public void release(int permits) {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();   //state = state+permits，并将FIFO队列中的阻塞线程唤起     sync.releaseShared(permits);   }

releaseShared中的操作是将state = state+permits，并将FIFO队列中的阻塞线程唤起。

public final boolean releaseShared(int arg) {     //tryReleaseShared将state设置为state = state+arg     if (tryReleaseShared(arg)) {       //唤起FIFO队列中的阻塞线程       doReleaseShared();       return true;     }     return false;   }

tryReleaseShared将state设置为state = state+arg

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");         //将state值设置为state=state+releases         if (compareAndSetState(current, next))           return true;       }     }

doReleaseShared()唤起FIFO队列中的阻塞线程

private void doReleaseShared() {        for (;;) {        Node h = head;        if (h != null && h != tail) {          int ws = h.waitStatus;          if (ws == Node.SIGNAL) {            if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))              continue;      // loop to recheck cases            //完成阻塞线程的唤起操作            unparkSuccessor(h);          }          else if (ws == 0 &&               !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))            continue;        // loop on failed CAS        }        if (h == head)          // loop if head changed          break;      }    }

总结：Semaphore简单来说设置了一个信号量池state，当线程执行时会从state中获取值，如果可以获取则线程执行，并且在执行后将获取的资源返回到信号量池中，并唤起其他阻塞线程；如果信号量池中的资源无法满足某个线程的需求则将此线程阻塞。

Semaphore源码：

public class Semaphore implements java.io.Serializable {   private static final long serialVersionUID = -3222578661600680210L;   private final Sync sync;   abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {     private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;     //设置锁标识位state的初始值     Sync(int permits) {       setState(permits);     }     //获取锁标识位state的值，如果state值大于其需要的值则表示锁可以获取     final int getPermits() {       return getState();     }     //获取state值减去acquires后的值，如果大于等于0则表示锁可以获取     final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {       for (;;) {         int available = getState();         int remaining = available - acquires;         if (remaining < 0 ||           compareAndSetState(available, remaining))           return remaining;       }     }     //释放锁     protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {       for (;;) {         int current = getState();         //将state值加上release值         int next = current + releases;         if (next < current) // overflow           throw new Error("Maximum permit count exceeded");         if (compareAndSetState(current, next))           return true;       }     }     //将state的值减去reductions     final void reducePermits(int reductions) {       for (;;) {         int current = getState();         int next = current - reductions;         if (next > current) // underflow           throw new Error("Permit count underflow");         if (compareAndSetState(current, next))           return;       }     }     final int drainPermits() {       for (;;) {         int current = getState();         if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))           return current;       }     }   }   //非公平锁   static final class NonfairSync extends Sync {     private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;     NonfairSync(int permits) {       super(permits);     }     protected int tryAcquireShared(int acquires) {       return nonfairTryAcquireShared(acquires);     }   }   //公平锁   static final class FairSync extends Sync {     private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;     FairSync(int permits) {       super(permits);     }     protected int tryAcquireShared(int acquires) {       for (;;) {         if (hasQueuedPredecessors())           return -1;         int available = getState();         int remaining = available - acquires;         if (remaining < 0 ||           compareAndSetState(available, remaining))           return remaining;       }     }   }   //设置信号量   public Semaphore(int permits) {     sync = new NonfairSync(permits);   }   public Semaphore(int permits, boolean fair) {     sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);   }   //获取锁   public void acquire() throws InterruptedException {     sync.acquireSharedInterruptibly(1);   }   public void acquireUninterruptibly() {     sync.acquireShared(1);   }   public boolean tryAcquire() {     return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;   }   public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)     throws InterruptedException {     return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));   }   public void release() {     sync.releaseShared(1);   }   //获取permits值锁   public void acquire(int permits) throws InterruptedException {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();     sync.acquireSharedInterruptibly(permits);   }   public void acquireUninterruptibly(int permits) {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();     sync.acquireShared(permits);   }   public boolean tryAcquire(int permits) {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();     return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;   }   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   public void release(int permits) {     if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();     sync.releaseShared(permits);   }   public int availablePermits() {     return sync.getPermits();   }   public int drainPermits() {     return sync.drainPermits();   }   protected void reducePermits(int reduction) {     if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();     sync.reducePermits(reduction);   }   public boolean isFair() {     return sync instanceof FairSync;   }   public final boolean hasQueuedThreads() {     return sync.hasQueuedThreads();   }   public final int getQueueLength() {     return sync.getQueueLength();   }   protected Collection<Thread> getQueuedThreads() {     return sync.getQueuedThreads();   }   public String toString() {     return super.toString() + "[Permits = " + sync.getPermits() + "]";   } }

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