前言
目前正在出一个Java多线程专题长期系列教程，从入门到进阶含源码解读, 篇幅会较多, 喜欢的话，给个关注❤️ ~
Java提供了一些非常好用的并发工具类，不需要我们重复造轮子，本节我们讲解Semaphore,一起来看下吧~
Semaphore
它就是我们之前在讲源码的时候提到的信号量,下面看下它的构造函数
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
从构造函数可以看出，它可以传入指定数量的资源和指定公平和非公平锁,公平和非公平就不多阐述了，可以参考之前的文章。
我们重点关注的是acquire()和release(), 这两个方法字面意思很好理解, Semaphore往往用于资源有限的场景，比如我们需要限制某个操作的线程数量。下面通过例子感受一下
public class SemaphoreTest {
public static final class Task implements Runnable {
private int num;
private Semaphore semaphore;
public Task(int num, Semaphore semaphore) {
this.num = num;
this.semaphore = semaphore;
}
@Override
public void run() {
try {
// 获取
semaphore.acquire();
System.out.println(String.format("num: %d, 剩余%d个资源, 还有%d个线程在等待", num, semaphore.availablePermits(), semaphore.getQueueLength()));
System.out.println(System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放
System.out.println("释放资源");
semaphore.release();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
IntStream.range(0, 20).forEach(i -> new Thread(new Task(i, semaphore)).start());
}
}
实际输出:
num: 1, 剩余0个资源, 还有0个线程在等待
1657591518171
num: 0, 剩余1个资源, 还有0个线程在等待
1657591518172
释放资源
....
释放资源
num: 18, 剩余0个资源, 还有1个线程在等待
1657591545235
num: 19, 剩余0个资源, 还有0个线程在等待
1657591545236
释放资源
释放资源
进程已结束,退出代码0
源码剖析
我们重点看下acquire()源码实现.
从这个信号量获取一个许可，阻塞直到有一个可用，或者线程被中断。获得一个许可，如果一个可用并立即返回，将可用许可的数量减少一个
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
重点是这个sync
// 首先它继承 AbstractQueuedSynchronizer 这个大家肯定不陌生了 就是AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
// 初始化的时候会写入一个状态
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
// 获取当前的状态
final int getPermits() {
return getState();
}
// 非公平方式获取信号量
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 当前可获取的
int available = getState();
// 计算剩余数量
int remaining = available - acquires;
// 如果剩余数量大于0 就是进行cas修改
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
// 释放信号量
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
// 释放后剩余的数量
int next = current + releases;
// 如果超出就
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current - reductions;
// 超出最大限量抛异常
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;
}
}
}
在构造函数中FairSync和NonfairSync他们都继承Sync
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
默认情况下非公平的Semaphore会去调用Sync的nonfairTryAcquireShared
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);
}
}
公平的Semaphore内部实现了tryAcquireShared()
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;
}
}
}
下面我们再回过头看下acquire(), 内部方法acquireSharedInterruptibly是AQS的内部方法
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
如果线程中断，直接抛异常, 如果没拿到资源就进入排队机制
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 可获取的资源数小于0进入排队 这里的实现在子类，就是上边提到的
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
重点看下这个doAcquireSharedInterruptibly()
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 以共享模式加入到阻塞队列 之前讲源码的时候都讲过
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
// 默认失败
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
// 获取前置节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果上一个节点就是头部节点 再次尝试获取 （原因是头部节点可能释放资源了）
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
// 如果获取到了 并且还有剩余资源
if (r >= 0) {
// 1. 将当前节点设置为头部节点
// 2. 判断后续节点是否是共享等待节点
// 3. 唤醒后续的节点
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 这一步主要是检查未能获取到资源的节点状态
// 如果线程需要阻塞返回true
// parkAndCheckInterrupt 如果线程中断了 抛出异常
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
// 如果失败 取消正在进行的获取
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
shouldParkAfterFailedAcquire()的细节我们也来看下，可能有的同学不大清楚
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
// 只要前置节点释放锁，就会通知标识为SIGNAL(-1)状态的后续节点的线程
// 如果前置节点为SIGNAL，只需要等待其他前置节点的线程被释放，
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;
// 这里的判断指的是取消状态, 如果取消了就讲这个节点移除掉
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
// cas 更新
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
这里的SIGNAL一类的常量，大家可以自行到源码查看，这也是细节地方。发现这段代码主要的作用就是检查节点状态，对后续节点做一些操作,这里并没有阻塞操作,下面我们看下parkAndCheckInterrupt()
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}
这里我们可以看到加了锁,所以阻塞发生在这。那么释放锁在哪呢?其实在release阶段
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
可以看到在unparkSuccessor中进行了锁的释放,这个过程发生在释放阶段
release()相对简单一些，大家可以自己对着源码看下，实现有些类似
结束语
其实本节带大家看源码，主要是想给大家讲下共享锁的知识，Semaphore其实就是使用了共享锁。另外AQS这个类很值得大家好好研究一下，你会发现很多的好用的类都是基于它实现，之前我们讲源码的时候也都遇到了，有兴趣可以了解一下。下节给大家讲下Exchanger ~
