Semaphore 源码解读

Posted 2023-03-10 小毕超

一、Semaphore

Semaphore 通过设置一个固定数值的信号量，并发时线程通过 acquire() 获取一个信号量，如果能成功获得则可以继续执行，否则将阻塞等待，当某个线程使用 release() 释放一个信号量时，被阻塞的线程则可以被唤醒重新争抢信号量。根据该特征可以有效控制线程的并发数。

那 Semaphore 是如何控制并发的呢，本篇文章带领大家一起解读下 Semaphore 的源码。

在进行源码分析前，先回顾下 Semaphore 是如何使用的，例如下面一个案例：

public class Test 

    public static void main(String[] args) 
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            new Thread(() -> 
                try 
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("线程：" + Thread.currentThread().getName() + " 执行, 当前时间：" + LocalDateTime.now().toString());
                    Thread.sleep(1000);
                 catch (Exception e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    semaphore.release();
                
            , String.valueOf(i)).start();
        
    

运行之后，可以看到下面日志：

可以看到每次都是 3 个并发。

在本专栏前面讲解 AQS 源码的时候提到 Semaphore 是基于 AQS 实现的，那是如何使用的 AQS 呢？

在 AQS 中，如果需要使用AQS的特征则需要子类根据使用的场景，重写下面方法：

//查询是否正在独占资源，condition会使用
boolean isHeldExclusively()	
//独占模式，尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false
boolean tryAcquire(int arg)
//独占模式，尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false
boolean tryRelease(int arg)
//共享模式，尝试获取资源，如果返回负数表示失败，否则表示成功。
int tryAcquireShared(int arg)
//共享模式，尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。
boolean tryReleaseShared(int arg)

由于这里 Semaphore 的特性，所以下面我们只需关注共享模式下的几个方法即可。

说明：由于 Semaphore 的实现依赖于 AQS ，因此需要对 AQS 有一定的了解，不了解的小伙伴可以看下这篇对 AQS 源码分析的文章，和当前文章在同一专栏：

https://blog.csdn.net/qq_43692950/article/details/129367736

二、Semaphore 中 Sync、FairSync、NonfairSync

2.1 Sync、FairSync、NonfairSync

在声明 Semaphore 时，有两种方式，一种是使用只有一个 permits 参数的构造函数，一种则需要多增加一个 fair 参数：

new Semaphore(3);
new Semaphore(3, true);

当使用只有一个 permits 参数的构造函数声明时，则是创建了一个 NonfairSync 对象：

通过需要多增加一个 fair 参数的构造函数时，则可以根据传入的 fair 选择创建一个 FairSync 对象：

这里也不难理解 NonfairSync 和 FairSync 其实可以理解为 Semaphore 中的非公平锁和公平锁两种类型。

点到这两个类中，可以看到都继承自 Sync 类：

而 Sync 类，则继承自 AQS ：

到这里，我们就可以寻找几个关键的方法，在AQS中共享模式下，两大关键的方法是交由子类进行实现的，分别是 tryAcquireShared 尝试获取资源，和 tryReleaseShared 尝试释放资源。

首先来看 tryAcquireShared 尝试获取资源：

通过 Sync 类的实现源码发现并没有重写 tryAcquireShared方法，那该方法肯定在下面的FairSync 和 NonfairSync 子类中，分别看下源码确实存在重写的方法：

2.2 NonfairSync 下的 tryAcquireShared

这里先分析下 NonfairSync 的 tryAcquireShared 实现逻辑，可以看到又调用了 nonfairTryAcquireShared 就是 Sync 类中的 nonfairTryAcquireShared ，从命名上可以分析出就是非公平锁的尝试获取资源的操作，直观就是非公平锁下获取锁的操作：

进入到 Sync 类中的 nonfairTryAcquireShared 方法中，可以明显看到一个自旋的操作，在循环中首先获取到 AQS 中的共享资源 state ，并对其进行 - acquires （默认为 1 ，后面会进行说明）操作，其实就是 -1 操作，如果减去的值小于 0 或者修改 state 成功，就返回当前减去的值，否则就自旋的方式再次重试：

上一步的操作主要做了什么目的呢，其实从 Sync 的构造方法就可以看出，创建 Semaphore 传递的 permits 参数被赋值给了 AQS 中的 state ，那此时 state 就记录的当前剩余信号量的大小，获取资源就要进行 -1 标识消耗了一个，最后将减去的值返回出去表示剩余的资源，如果信号量小于 0 了，则表示获取资源失败，直观就是获取锁失败。因为在 AQS 中对 tryAcquireShared 方法的判断是小于 0 时，进行线程的入列和挂起等待。

2.3 FairSync下的 tryAcquireShared

在 FairSync 类下的 tryAcquireShared 方法中，和前面 NonfairSync 类似，但不同的是，会首先进行 hasQueuedPredecessors 方法的判断：

下面进到 hasQueuedPredecessors 的方法中，可以看到是由 AQS 提供的方法，主要就是判断当前节点线程的前面是否还有等待的线程，因为 FairSync 实现的是公平锁的原则，如果当前线程前面还有等待线程，则获取锁资源也轮不到自个，让前面的老大先来，所以直接返回 -1 表示获取资源失败：

2.4 tryReleaseShared

到这里已经了解到了 tryAcquireShared尝试获取资源的逻辑，上面提到了两个重要方法，还有一个 tryReleaseShared 没有分析，还是首先看 Sync 类中是否有重写该方法：

通过源码可以看到，在 Sync 类中就已经对 tryReleaseShared 进行了重写，而 NonfairSync 和 FairSync 中都没有重写该方法，那释放资源就是走的 Sync 类下的 tryReleaseShared 方法：

在该方法同样使用了自旋，首先获取到 AQS 中的共享资源 state ，然后进行 + releases （默认情况下为 1 ，后面会说明），其实就是进行 +1 操作，并使用新的值修改 state ，如果修改失败的话则在自旋中继续修改，直到成功后返回 true ，表示释放资源成功。

看到这里就会发现获取资源和释放资源，无非就是对 AQS 中的共享资源 state 进行操作。理解了这两大核心的方法后，下面就可以看如何运用在 Semaphore 中的了。

三、semaphore.acquire()

通过 semaphore.acquire() 可以获取一个信号量，如果获取不到则阻塞等待，那semaphore.acquire() 主要做了什么呢？

下面点到该方法中，可以看到又调用了 sync.acquireSharedInterruptibly 方法，其实就是 AQS 中的 acquireSharedInterruptibly 方法，注意这里传递的参数为 1 ，对应上面括号中的说明：

在 AQS 的 acquireSharedInterruptibly 方法中，首先会使用子类的 tryAcquireShared 方法获取资源，如果资源数小于 0 ，则认为获取失败，下面使用 doAcquireSharedInterruptibly 进行加入队列并挂起阻塞：

关于AQS如何加入队列和挂起，可以参考文章开始的链接中对 AQS 源码的解读。

四、semaphore.release()

上面在获取不到可用的资源时，则会被 AQS 挂起，因此这里还需要进行释放资源。

下面点到 semaphore.release() 方法中，可以看到又调用了 sync.releaseShared ，其实就是 AQS 中的 releaseShared 方法，注意这里参数默认为 1 ，对应上面括号中的说明：

在 AQS 的 releaseShared 方法中，会首先调用子类的 tryReleaseShared 释放资源，释放成功后，会使用 doReleaseShared 进行挂起线程的唤醒：

关于releaseShared方法的源码解读可以参考文章开始的链接中对 AQS 源码的解读。

三、总结

通过阅读 Semaphore的源码可以发现，大量依赖于 AQS 中提供的方法，如果有阅读过本专栏对 ReentrantLock 锁源码的分析，可以发现相似度极高，都是使用 AQS 所提供的的特征实现某些场景的应用。