Semaphore使用以及原理

1. Semaphore的使用

1) Semaphore，俗称信号量 基于AbstractQueuedSynchronizer实现！AQS

2) Semaphore管理着一组许可permit，许可的初始数量通过构造函数设定。

3) 默认使用非公平的方式 sync = new NonfairSync(permits);
   使用Semaphore可以控制同时访问资源的线程个数，例如，实现一个文件允许的并发访问数

4) 当线程要访问共享资源时，需要先通过acquire()方法获取许可。获取到之后许可就被当前线程占用了，在归还许可之前其他线程不能获取这个许可。
调用acquire()方法时，如果没有许可可用了，就将线程阻塞，等待有许可被归还了再执行。
当执行完业务功能后，需要通过release()方法将许可证归还，以便其他线程能够获得许可证继续执行。
如果初始化了一个许可为1的Semaphore，那么就相当于一个不可重入的互斥锁（Mutex）。

举个生活中的小栗子：

我们假设停车场仅有3个停车位，停车位就是有限的共享资源，许可数为3。一开始停车场没有车辆所有车位全部空着，然后先后到来三辆车，停车场车位够，安排进去停车。之后来的车必须在外面候着，直到停车场有空车位。当停车场有车开出去，里面有空位了，则安排一辆车进去（至于是哪辆要看选择的机制是公平还是非公平）。

从程序角度看，停车场就相当于有限的公共资源，许可数为3，车辆就相当于线程。当来一辆车时，许可数就会减1，当停车场没有车位了（许可数为0），其他来的车辆需要在外面等候着。如果有一辆车开出停车场，许可数+1，然后放进来一辆

2.代码举例实现

package com.concurrent;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {


        //Semaphore管理着一组许可permit，许可的初始数量通过构造函数设定。

        /**
         * Semaphore的主要方法摘要：
         *
         * 　　void acquire():从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
         *
         * 　　void release():释放一个许可，将其返回给信号量。
         *
         * 　　int availablePermits():返回此信号量中当前可用的许可数。
         *
         * 　　boolean hasQueuedThreads():查询是否有线程正在等待获取。
         */
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        for (int i = 1; i <=6 ; i++) {
                  new Thread(() -> {

                      try {
                          semaphore.acquire();
                          System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 抢到了车位");
                           try {
                                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                                } catch (Exception e) {
                                 e.printStackTrace();
                             }
                          System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 停车3s后离开");
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }finally {
                          semaphore.release();
                      }

                  },String.valueOf(i)).start();
        }

    }
}

代码结果输出：

1     抢到了车位
3     抢到了车位
2     抢到了车位
1     停车3s后离开
4     抢到了车位
3     停车3s后离开
2     停车3s后离开
5     抢到了车位
6     抢到了车位
5     停车3s后离开
6     停车3s后离开
4     停车3s后离开

Semaphore可以用于做流量控制，特别是公共资源有限的应用场景，比如数据库连接。假如有多个线程读取数据后，需要将数据保存在数据库中，而可用的最大数据库连接只有10个，这时候就需要使用Semaphore来控制能够并发访问到数据库连接资源的线程个数最多只有10个。在限制资源使用的应用场景下，Semaphore是特别合适的。

3.源码分析 acquire()

acquire()方法就是获取许可，获取到许可就可以继续执行访问共享资源，获取不到就阻塞等待其他线程归还许可。

AQS.state用来记录可用的许可数量，每获取一个许可state减1。

/*** 获取许可的方法其实就是获取锁的方法 */

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

// 真正获取锁的方法，由Semaphore.NonfairSync实现 doAcquireSharedInterruptibly(arg); // 获取锁失败，当前线程阻塞并进入AQS同步队列}/** * Semaphore.NonfairSync实现的获取锁的方法 *

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    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;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

** * 每获取一个许可，将state-1，state表示剩余的许可数 * 如果许可已经用完，返回remaining<0，表示获取不到锁/许可，线程阻塞 * 如果还有许可，返回remaining>=0，表示获取到锁/许可，线程继续执行 

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

4.源码分析 release()

release()方法归还许可，其实就是将AQS.state加1。归还成功，唤醒AQS队列中等锁的线程，从被阻塞的位置开始执行。

public final boolean releaseShared(int arg)
{
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        // 释放锁，由Semaphore.Sync实现
        doReleaseShared();
        // 释放锁成功，唤醒AQS队列中等锁的线程
        return true;
    }
       return false;
      }
      /** * 每归还一个许可将state加1 */
      protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
          for (;;) {
              int current = getState();
              int next = current + releases;// 每归还一个许可将state加1
              // if (next < current) // overflow throw new Error("Maximum permit count exceeded");
              if (compareAndSetState(current, next))
                  return true;
          }
      }
}

5.小总结

信号量Semaphore用于控制资源能够被并发访问的线程数量，以保证多个线程能够合理的使用特定资源，比如数据库连接等。

Semaphore在构造时设置一个许可数量，这个许可数量用AQS.state来记录。

acquire()方法就是获取许可，只有获取到许可才可以继续执行访问共享资源，获取到许可之后AQS.state减1，以记录当前可用的许可数量；如果获取不到许可，线程就阻塞等待其他线程归还许可。

release()方法将许可归还，AQS.state加1；归还之后，唤醒AQS队列中阻塞的线程获取许可。