Java并發之Semaphore源碼的示例分析

這篇文章主要介紹了Java并發之Semaphore源碼的示例分析，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

Semaphore(信號量)是JUC包中比較常用到的一個類，它是AQS共享模式的一個應用，可以允許多個線程同時對共享資源進行操作，并且可以有效的控制并發數，利用它可以很好的實現流量控制。Semaphore提供了一個許可證的概念，可以把這個許可證看作公共汽車車票，只有成功獲取車票的人才能夠上車，并且車票是有一定數量的，不可能毫無限制的發下去，這樣就會導致公交車超載。所以當車票發完的時候(公交車以滿載)，其他人就只能等下一趟車了。如果中途有人下車，那么他的位置將會空閑出來，因此如果這時其他人想要上車的話就又可以獲得車票了。利用Semaphore可以實現各種池，我們在本篇末尾將會動手寫一個簡易的數據庫連接池。首先我們來看一下Semaphore的構造器。

//構造器1
public Semaphore(int permits) {
  sync = new NonfairSync(permits);
}

//構造器2
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
  sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Semaphore提供了兩個帶參構造器，沒有提供無參構造器。這兩個構造器都必須傳入一個初始的許可證數量，使用構造器1構造出來的信號量在獲取許可證時會采用非公平方式獲取，使用構造器2可以通過參數指定獲取許可證的方式(公平or非公平)。Semaphore主要對外提供了兩類API，獲取許可證和釋放許可證，默認的是獲取和釋放一個許可證，也可以傳入參數來同時獲取和釋放多個許可證。在本篇中我們只講每次獲取和釋放一個許可證的情況。

1.獲取許可證

//獲取一個許可證(響應中斷)
public void acquire() throws InterruptedException {
  sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

//獲取一個許可證(不響應中斷)
public void acquireUninterruptibly() {
  sync.acquireShared(1);
}

//嘗試獲取許可證(非公平獲取)
public boolean tryAcquire() {
  return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

//嘗試獲取許可證(定時獲取)
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
  return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

上面的API是Semaphore提供的默認獲取許可證操作。每次只獲取一個許可證，這也是現實生活中較常遇到的情況。除了直接獲取還提供了嘗試獲取，直接獲取操作在失敗之后可能會阻塞線程，而嘗試獲取則不會。另外還需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式嘗試獲取的。在平時我們比較常用到的是acquire方法去獲取許可證。下面我們就來看看它是怎樣獲取的。可以看到acquire方法里面直接就是調用sync.acquireSharedInterruptibly(1)，這個方法是AQS里面的方法，我們在講AQS源碼系列文章的時候曾經講過，現在我們再來回顧一下。

//以可中斷模式獲取鎖(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  //首先判斷線程是否中斷, 如果是則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //1.嘗試去獲取鎖
  if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
    //2. 如果獲取失敗則進人該方法
    doAcquireSharedInterruptibly(arg);
  }
}

acquireSharedInterruptibly方法首先就是去調用tryAcquireShared方法去嘗試獲取，tryAcquireShared在AQS里面是抽象方法，FairSync和NonfairSync這兩個派生類實現了該方法的邏輯。FairSync實現的是公平獲取的邏輯，而NonfairSync實現的非公平獲取的邏輯。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  //非公平方式嘗試獲取
  final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
      //獲取可用許可證
      int available = getState();
      //獲取剩余許可證
      int remaining = available - acquires;
      //1.如果remaining小于0則直接返回remaining
      //2.如果remaining大于0則先更新同步狀態再返回remaining
      if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
        return remaining;
      }
    }
  }
}

//非公平同步器
static final class NonfairSync extends Sync {
  private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

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

  //嘗試獲取許可證
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
  }
}

//公平同步器
static final class FairSync extends Sync {
  private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

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

  //嘗試獲取許可證
  protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
      //判斷同步隊列前面有沒有人排隊
      if (hasQueuedPredecessors()) {
        //如果有的話就直接返回-1，表示嘗試獲取失敗
        return -1;
      }
      //獲取可用許可證
      int available = getState();
      //獲取剩余許可證
      int remaining = available - acquires;
      //1.如果remaining小于0則直接返回remaining
      //2.如果remaining大于0則先更新同步狀態再返回remaining
      if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
        return remaining;
      }
    }
  }
}

這里需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接調用的是nonfairTryAcquireShared方法，這個方法是在父類Sync里面的。非公平獲取鎖的邏輯是先取出當前同步狀態(同步狀態表示許可證個數)，將當前同步狀態減去參入的參數，如果結果不小于0的話證明還有可用的許可證，那么就直接使用CAS操作更新同步狀態的值，最后不管結果是否小于0都會返回該結果值。這里我們要了解tryAcquireShared方法返回值的含義，返回負數表示獲取失敗，零表示當前線程獲取成功但后續線程不能再獲取，正數表示當前線程獲取成功并且后續線程也能夠獲取。我們再來看acquireSharedInterruptibly方法的代碼。

//以可中斷模式獲取鎖(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
  //首先判斷線程是否中斷, 如果是則拋出異常
  if (Thread.interrupted()) {
    throw new InterruptedException();
  }
  //1.嘗試去獲取鎖
  //負數：表示獲取失敗
  //零值：表示當前線程獲取成功, 但是后繼線程不能再獲取了
  //正數：表示當前線程獲取成功, 并且后繼線程同樣可以獲取成功
  if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
    //2. 如果獲取失敗則進人該方法
    doAcquireSharedInterruptibly(arg);
  }
}

如果返回的remaining小于0的話就代表獲取失敗，因此tryAcquireShared(arg) < 0就為true，所以接下來就會調用doAcquireSharedInterruptibly方法，這個方法我們在講AQS的時候講過，它會將當前線程包裝成結點放入同步隊列尾部，并且有可能掛起線程。這也是當remaining小于0時線程會排隊阻塞的原因。而如果返回的remaining>=0的話就代表當前線程獲取成功，因此tryAcquireShared(arg) < 0就為flase，所以就不會再去調用doAcquireSharedInterruptibly方法阻塞當前線程了。以上是非公平獲取的整個邏輯，而公平獲取時僅僅是在此之前先去調用hasQueuedPredecessors方法判斷同步隊列是否有人在排隊，如果有的話就直接return -1表示獲取失敗，否則才繼續執行下面和非公平獲取一樣的步驟。

2.釋放許可證

//釋放一個許可證
public void release() {
  sync.releaseShared(1);
}

調用release方法是釋放一個許可證，它的操作很簡單，就調用了AQS的releaseShared方法，我們來看看這個方法。

//釋放鎖的操作(共享模式)
public final boolean releaseShared(int arg) {
  //1.嘗試去釋放鎖
  if (tryReleaseShared(arg)) {
    //2.如果釋放成功就喚醒其他線程
    doReleaseShared();
    return true;
  }
  return false;
}

AQS的releaseShared方法首先調用tryReleaseShared方法嘗試釋放鎖，這個方法的實現邏輯在子類Sync里面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
  ...
  //嘗試釋放操作
  protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
      //獲取當前同步狀態
      int current = getState();
      //將當前同步狀態加上傳入的參數
      int next = current + releases;
      //如果相加結果小于當前同步狀態的話就報錯
      if (next < current) {
        throw new Error("Maximum permit count exceeded");
      }
      //以CAS方式更新同步狀態的值, 更新成功則返回true, 否則繼續循環
      if (compareAndSetState(current, next)) {
        return true;
      }
    }
  }
  ...
}

可以看到tryReleaseShared方法里面采用for循環進行自旋，首先獲取同步狀態，將同步狀態加上傳入的參數，然后以CAS方式更新同步狀態，更新成功就返回true并跳出方法，否則就繼續循環直到成功為止，這就是Semaphore釋放許可證的流程。

3.動手寫個連接池

Semaphore代碼并沒有很復雜，常用的操作就是獲取和釋放一個許可證，這些操作的實現邏輯也都比較簡單，但這并不妨礙Semaphore的廣泛應用。下面我們就來利用Semaphore實現一個簡單的數據庫連接池，通過這個例子希望讀者們能更加深入的掌握Semaphore的運用。

public class ConnectPool {
  
  //連接池大小
  private int size;
  //數據庫連接集合
  private Connect[] connects;
  //連接狀態標志
  private boolean[] connectFlag;
  //剩余可用連接數
  private volatile int available;
  //信號量
  private Semaphore semaphore;
  
  //構造器
  public ConnectPool(int size) { 
    this.size = size;
    this.available = size;
    semaphore = new Semaphore(size, true);
    connects = new Connect[size];
    connectFlag = new boolean[size];
    initConnects();
  }
  
  //初始化連接
  private void initConnects() {
    //生成指定數量的數據庫連接
    for(int i = 0; i < this.size; i++) {
      connects[i] = new Connect();
    }
  }
  
  //獲取數據庫連接
  private synchronized Connect getConnect(){ 
    for(int i = 0; i < connectFlag.length; i++) {
      //遍歷集合找到未使用的連接
      if(!connectFlag[i]) {
        //將連接設置為使用中
        connectFlag[i] = true;
        //可用連接數減1
        available--;
        System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以獲取連接   剩余連接數：" + available);
        //返回連接引用
        return connects[i];
      }
    }
    return null;
  }
  
  //獲取一個連接
  public Connect openConnect() throws InterruptedException {
    //獲取許可證
    semaphore.acquire();
    //獲取數據庫連接
    return getConnect();
  }
  
  //釋放一個連接
  public synchronized void release(Connect connect) { 
    for(int i = 0; i < this.size; i++) {
      if(connect == connects[i]){
        //將連接設置為未使用
        connectFlag[i] = false;
        //可用連接數加1
        available++;
        System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以釋放連接   剩余連接數：" + available);
        //釋放許可證
        semaphore.release();
      }
    }
  }
  
  //剩余可用連接數
  public int available() {
    return available;
  }
  
}

測試代碼：

public class TestThread extends Thread {
  
  private static ConnectPool pool = new ConnectPool(3);
  
  @Override
  public void run() {
    try {
      Connect connect = pool.openConnect();
      Thread.sleep(100); //休息一下
      pool.release(connect);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
      new TestThread().start();
    }
  }

}

測試結果：

我們使用一個數組來存放數據庫連接的引用，在初始化連接池的時候會調用initConnects方法創建指定數量的數據庫連接，并將它們的引用存放到數組中，此外還有一個相同大小的數組來記錄連接是否可用。每當外部線程請求獲取一個連接時，首先調用semaphore.acquire()方法獲取一個許可證，然后將連接狀態設置為使用中，最后返回該連接的引用。許可證的數量由構造時傳入的參數決定，每調用一次semaphore.acquire()方法許可證數量減1，當數量減為0時說明已經沒有連接可以使用了，這時如果其他線程再來獲取就會被阻塞。每當線程釋放一個連接的時候會調用semaphore.release()將許可證釋放，此時許可證的總量又會增加，代表可用的連接數增加了，那么之前被阻塞的線程將會醒來繼續獲取連接，這時再次獲取就能夠成功獲取連接了。測試示例中初始化了一個3個連接的連接池，我們從測試結果中可以看到，每當線程獲取一個連接剩余的連接數將會減1，等到減為0時其他線程就不能再獲取了，此時必須等待一個線程將連接釋放之后才能繼續獲取。可以看到剩余連接數總是在0到3之間變動，說明我們這次的測試是成功的。

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