使用递增计数器的线程同步工具——信号量，它的原理了解么?

前言

" 在 JUC 中线程同步器除了 CountDownLatch 和 CycleBarrier ，还有一个叫做 Semaphore （信号量），同样是基于 AQS 实现的。下面来看看信号量的内部原理。 "

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介绍

一个计数信号量。 从概念上讲，信号量维护了一组许可。 如果有必要，在许可可用之前调用 acquire 方法会被阻塞，直到许可证可用。 调用 release 方法会增加了一个许可证，从而释放被阻塞的线程。

1. 声明时指定初始许可数量。
2. 调用 acquire(int permits) 方法，指定目标许可数量。
3. 调用 release(int permits) 方法，发布指定的许可数量。

在许可数量没有到达指定目标数量时，调用 acquire 方法的线程会被阻塞。

基本使用

public class SemaphoreTest1 {

    private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());


        for (int i = 0; i < 5; i++) {

            pool.submit(() -> {

                try {
                    Thread.sleep(1000 + new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException ignored) {
                }

                System.out.println("当前线程: " + Thread.currentThread().getName() + " 发布一个许可");
                SEMAPHORE.release(1);

            });
        }

        System.out.println("-----> 这里是主线程");

        SEMAPHORE.acquire(5);

        System.out.println("-----> 主线程执行完毕");

        pool.shutdown();
    }

}

-----> 这里是主线程
当前线程: Thread-pool-2 发布一个许可
当前线程: Thread-pool-4 发布一个许可
当前线程: Thread-pool-1 发布一个许可
当前线程: Thread-pool-0 发布一个许可
当前线程: Thread-pool-3 发布一个许可
-----> 主线程执行完毕

上面这个方法也是模拟了类似 CountDownLatch 的用法， 在子线程执行完毕之后，主线程继续执行。只不过 Semaphore 和 CountDownLatch 区别最大的是：

Semaphore 是从指定数值开始增加，直到到达许可数量，然后被阻塞线程开始继续执行。

CountDownLatch 是从指定数量的线程开始减少，直到为 0 时，被阻塞的线程开始继续执行。

当然这只是最简单的用法，除此让主线程等待，同样也可以让其他线程等待，然后再开始执行。

问题疑问

1. Semaphore 和 AQS 有什么关系？
2. Semaphore 和 CountDownLatch 有什么区别？

2

源码分析

基本结构

通过类图可以看出在 Semaphore 里面有一个静态内部类 Sync 继承了 AQS，同时为了区分公平和非公平的情况，Sync 分别有两个子类：NonfairSync 、FairSync。

下面根据案例分别从构造函数、acquire()、release() 入手，从而了解内部实现原理。

初始化

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

初始化默认非公平锁， 同时需要传入指定许可数， 可以看到这块代码是调用的 AQS 的 setState(permits) 方法。代码如下：

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

    NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }
 }

setState 方法其实就是对 AQS 的 state 进行赋值。

" 补充

在 ReentrantLock 中 state 代表加锁状态，0 没有线程获得锁，大于等于 1 已经有线程获得锁，大于 1 说明该获得锁的线程多次重入。

在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表锁的状态。state 为 0 ，没有线程持有锁，state 的高 16 为代表读锁状态，低 16 为代表写锁状态。通过位运算可以获取读写锁的实际值。

而在这里 （CountDownLatch）则代表门闩或者说计数的值。"

如果对 state 有所遗忘，可以阅读前面的 AQS 、CAS 相关代码。state 在这里代表的是信号量的许可数量。

acquire()

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

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

acquire() 和 acquire(int permits) 调用的都是 sync.acquireSharedInterruptibly(permits) 方法，只不过一个支持传递参数，一个默认为 1。

acquireSharedInterruptibly 方法，其实就是 Sync 继承自 AQS 的。

这块可以阅读 AQS 的文章，这里简单介绍下：

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);
    }
}

1. 在失败后会使用 doAcquireSharedInterruptibly(arg); 不断获取资源；
2. final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 会创建节点以共享模式放到队列里；
3. 在循环中不断判断前一个节点，如果是 head，则尝试获取共享资源；
4. 在共享模式下获取到资源后会使用 setHeadAndPropagate(node, r); 设置头节点，同时唤醒后续节点。

tryAcquireShared 是需要子类实现，也就是在 Semaphore.Sync 的实现类中实现了，这里以 FairSync 做讲解：

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

    FairSync(int permits) {
        super(permits);
    }

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            // 如果前面有节点，则直接返回 -1 表示失败
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            // 获取当前信号量
            int available = getState();
            // 获取当前剩余量
            int remaining = available - acquires;
            // 如果小于 0 或者 CAS 设置信号量成功 则直接返回
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
}

而这段代码的含义：

1. 如果前面有节点，则直接阻塞；
2. 如果当前剩余信号量小于 0 ，则返回负值，直接阻塞；
3. 如果当前剩余量大于等于 0 ，会 CAS 更新信号量，并返回非负数。

" 这块数值的含义，在 AQS 中定义了，含义如下：

小于 0: 表示失败；

等于 0: 表示共享模式获取资源成功，但后续的节点不能以共享模式获取成功;

大于 0: 表示共享模式获取资源成功，后续节点在共享模式获取也可能会成功，在这种情况下，后续等待线程必须检查可用性。"

releas()

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

发布许可证的给定数量，该数量增加可用的许可数量。看其内部调用的是 Sync 的 releaseShared， 其实就是 AQS 的对应方法：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

如果实现tryReleaseShared返回true，以共享模式释放资源。其中的 tryReleaseShared 部分由 Semaphore.Sync 中实现，逻辑如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        // 获取当前 state
        int current = getState();
        // 对 state 进行增加
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // 使用 CAS 赋值
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

通过上面代码可以看出，在 Semaphore 的 release 方法中主要就是对 state 进行增加，增加成功后会调用 AQS 的 doReleaseShared 方法唤醒头节点。

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总结

Q&A

Q: 既然 Semaphore 也是基于 AQS， 那在 Semaphore 中 state 的含义代表什么？

A: 在 Semaphore 中 state 代表许可数量，acquire 方法当许可小于指定数量会阻塞线程，release 方法增加许可当许可增加成功则唤醒阻塞节点。

Q: Semaphore 基于 AQS 具体是怎么实现的呢？

A:

1. 初始设置 state 的初始值，即初始许可数量。
2. acquire 方法设置目标数量，当目标数量大于当前数量时，会阻塞线程并将其放到阻塞队列中。此处基于 AQS 实现。
3. release 对 state 进行增加，成功后会调用 AQS 的 doReleaseShared 唤醒头结点。同样是基于 AQS 实现。

Q: Semaphore 和 CountDownLatch 有什么区别？

A: 在Semaphore 的计数器是递加的，而 CountDownLatch 是递减的。相同点就是计数器都不可以重置。

结束语

在阅读 Semaphore 源码过程中，发现其主要功能都是基于 AQS 实现的，可以回顾阅读 AQS 的相关笔记。同样 Semaphore 也支持公平和非公平模式，这块就需要小伙伴自己去阅读啦。

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作者：刘志航，一个宅宅的北漂程序员。

公众号：liuzhihangs，记录工作学习中的技术、开发及源码笔记；时不时分享一些生活中的见闻感悟。欢迎大佬来指导！