通过对SamePhore源码解读，了解双向链表及加锁原理

Jony_zhang
205 阅读3分钟

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上篇文章叙述了SamePhore信号量锁的功能，那其底层是如何实现的呢，本篇文章将进行叙述。

主要针对如下代码进行跟踪

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 声明3个窗口  state:  资源数
        Semaphore windows = new Semaphore(3);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 占用窗口    加锁
                        windows.acquire();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始买票");
                        //模拟买票流程
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 购票成功");

                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } finally {
                        // 释放窗口
                        windows.release();
                    }
                }
            }).start();

        }
    }
}

四、实现源码解读

下面来看一下Semaphore的实现原理

4-1、初始化资源数

image.png

实现了一个非公平队列

image.png

image.png

可以看到设置了state

image.png

最终资源数，实际上就是给用volatile修饰的state变量

image.png

4-2、占用资源加锁

image.png

如果不传占用的资源数，则默认是一个

image.png

判断是否已经中断，如果未中断则进入tryAcquireShared

image.png

image.png

因为调用的是非公平锁，因此进入非公平锁的实现

image.png

image.png

4-3、判断是否有资源可以使用

image.png 这个地方通过自旋来获取锁资源。

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //获得当前资源，初始化的时候设置了3
        int available = getState();
        //用初始化资源-本次请求的资源，获得可使用资源
        int remaining = available - acquires;
        //当还有剩余资源的时候，会进入compareAndSetState(available, remaining)；
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

解析compareAndSetState(available, remaining)的作用，分别传入了当前可用资源，以及剩余资源数

可以看到使用了CAS实现了一个加锁的操作->这样如果有可用资源就可以加锁成功，加锁成功上面的nonfairTryAcquireShared方法就会返回当前剩余可用的资源，如果加锁不成功，那就再次通过for自旋尝试加锁。如果没有资源则返回-1.

image.png

当有可用的资源的时候就加锁成功，那如果返回-1则代表加锁失败，就会走下面的方法，也就是当初始化的三个资源都耗尽之后，就会走下面的方法 image.png

4-4、任务加入队列，并再次尝试加锁

image.png

首先创建一个Node,看下addWaiter方法
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

如下首先创建了一个Node节点，传入当前线程，以及上一步创建的节点 image.png

获得尾节点
Node pred = tail;

//tail也是一个用volatile修饰的Node对象
private transient volatile Node tail;

假如现在是第四个线程进来，前三个线程还未释放锁，那么此时尾节点未被赋值，因此下面进入enq方法

image.png

4-4-1、队列双写链表的生成

进入enq方法之后会对Node的head和tail进行双向关联 image.png

因为首次资源耗尽，tail为null，则进入compareAndSetHead方法

image.png

通过CAS创建了了一个空节点，并设置为head节点，同时将head指向tail形成双向链表,以上步骤在流程图表示如下：

image.png

完成上面步骤之后，再次通过for自旋，将最开始创建的节点的上一个节点指向刚刚创建的空节点

image.png

流程图如下：

image.png

然后通过cas将节点设置为尾部节点

image.png 对应流程图如下：

image.png

如果加锁成功则，将空节点的next指向我们对应thred3节点，并返回空节点

image.png 对应流程图如下（到此形成了一个双向链表）：

image.png

4-4-2、重新尝试加锁，如失败则阻塞当前线程

获取当前节点的前节点（也就是我们的空节点） image.png

image.png

获取到之后判断是否是head(此处肯定是head)，则再次尝试加锁（目的是万一前面的线程执行完毕释放资源，这样就可以加锁成功，直接执行任务了），而现在肯定是加锁失败，则运行shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)获取资源失败，然后进行阻塞操作

image.png 以上代码对应流程图如下：

image.png

那为什么要将头节点的waitState设置为-1呢，看下其注释，当状态为-1.则代表后续的线程需要唤醒执行unparking操作（简单的说就是阻塞队列中还有未完成的任务）

image.png

设置完头节点waitStatus=-1后返回false

image.png

for自旋继续接着工作

image.png

本次判断头节点，状态是否为-1，因为刚刚已设置，因此条件成立返回true image.png

则调用线程的park阻塞方法，如下：

image.png

加锁，并阻塞线程 image.png 到此步，流程图如下：

SemaPhore实现原理.jpg

4-5、已有阻塞队列，新线程再次尝试获取锁

上面讲述已有三个线程占用了所有资源，然后第四个线程进入到阻塞队列，下面看下第五个线程进入是如何处理的，依然还是获取资源

image.png

后面执行的流程和前面一样,直到addWaiter image.png

在未释放锁资源的情况下，第五个及第N的节点的操作过程 image.png

对应流程图如下：

SemaPhore实现原理 (1).jpg

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