24.Semaphore的作用和原理

Posted 2022-09-22 纵横千里，捭阖四方

1.Semaphore的功能和作用

Semaphore就是信号灯的意思，主要功能是用来限制对某个资源同时访问的线性数量，它有两个核心方法：

• acquire()方法，获取一个令牌。

• release()方法，释放一个令牌。

如下图所示，当多个线程访问某个限制访问流量的资源时，需要先调用acquire()方法获得一个访问令牌，如果能正常获得，则表示允许访问，如果令牌不够，则会阻塞当前线程。当某个获得令牌的线程通过release()方法释放一个令牌后（令牌数量是固定的），被阻塞在acquire()方法的线程就有机会获得这个释放的令牌，从而获得访问权限。

我们看一个使用Semaphore的例子

public class SemaphoreExample 

    public static void main(String[] args) 
        Semaphore semaphore=new Semaphore(2);
        ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) 
            service.execute(new SomeTask(semaphore));
        
        service.shutdown();
    
    static class SomeTask implements Runnable
        private Semaphore semaphore;
        public SomeTask(Semaphore semaphore)
            this.semaphore=semaphore;
        
        @Override
        public void run()
            try 
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 获得一个令牌");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            finally 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 释放一个令牌");
                semaphore.release(1000);
            
        
    

这里定义了数量为2的令牌实例，然后定义了一个线程池来执行SomeTask任务。在SomeTask中，使用了semaphore.acquire()方法来限制最大访问线程数量，用来模拟远远超过令牌数的线程来访问SomeTask的场景。

Semaphore方法的核心就是一个许可证管理，通过acquire()方法获得一个许可证，通过release()方法释放一个许可证，实际上并没有真实的令牌发给线程，只是维护了一个可分配数量进行计数维护。

在Semaphore中有两个接口，一起看一下：

• Semaphore(int permits, boolean fair)，permits就是令牌数，fair表示公平性，也就是在令牌被释放的临界点是否允许提前抢占到令牌。

• acquire(int permits) ：获取指定数量的令牌，如果数量不足，则会阻塞当前线程。

• tryAcquire(int permits) :尝试获取指定数量的令牌，此过程是非阻塞的，如果令牌数不够就返回false。

• release(int permits)：释放指定permits数量的令牌。

• drainPermits()：当前线程获得剩下的所有可用令牌。

• hasQueuedThread():判断当前Semaphore实例上是否存在正在等待令牌的线程。

Semaphore常见的应用场景就是实现线程之间的限流，或者限制某些共享资源的访问数量。

2 Semaphore原理分析

Semaphore实际上也是基于AQS的共享锁来实现的，因为在Semaphore中允许多个线程获得令牌被唤醒。所以在基于AQS的实现上我们可以推测出，在构建Semaphore实例时传递的参数是permits，其实还是AQS中state属性，假设初始化是permits=5，那么每次调用release()方法，都是针对state进行递减。因此当state=5时，意味着所有的令牌都已经用完，后续的线程都会以共享锁类型添加到CLH队列中，而当state<5时，说明已经有其他线程获得令牌了，可以从CLH队列中唤醒头部的线程。

从根本上说，Semaphore就是通过重写AQS中的下面两个方法来实现不同的业务场景的。

• tryAcquireShared()方法：抢占共享锁。

• tryReleaseShared()方法：释放共享锁。

2.1 令牌获取过程

由于共享锁的整体源码已经分析过了，这里只列出Semaphore中不一样的内容。

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

可以看到默认Semaphore是非公平策略，我们继续看NonfairSync类。

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

    NonfairSync(int permits) 
        super(permits);
    

    protected int tryAcquireShared(int acquires) 
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    

在非公平同步策略中，tryAcquireShared()方法直接调用nonfairTryAcquireShared()方法竞争共享锁，代码如下：

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

不管当前AQS的CLH队列中是否有线程排队，对非公平策略来说，直接尝试竞争令牌，有可能再临界点的时候提前抢占到令牌。另外从nonfairTryAcquireShared()方法的实现中发现，所谓的抢占令牌资源，其实就是判断state变量的值。

• remaining = available - acquires，用当前的令牌数量减去本次需要抢占的令牌数。

  • 如果remaining<0，则说明令牌数量不够，直接返回remaining。

  • 否则就更新state的值，该值表示本次抢占的令牌数量。

• 返回的remaining如果小于0，则直接让当前线程进入同步队列。

下面的的代码表示公平策略下的竞争令牌的方式，可以发现在通过CAS更新令牌数之前，多个了对hasQueuedPredecessors()方法的判断，该方法的返回结果表示当前同步队列中是否有其他线程在排队，如果有就返回true，这就是FIFO的特性。

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

    FairSync(int permits) 
        super(permits);
    

    protected int tryAcquireShared(int acquires) 
        for (;;) 
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        
    

tryAcquireShared()方法返回的只如果小于0，说明令牌数不够，则调用doAcquireSharedInterruptibly()方法将当前线程加入到同步队列中，而同步队列的整个执行过程和上一节的CountDownLatch的执行过程完全一致。

//在Semaphore类中
public void acquire() throws InterruptedException 
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);

//在AQS中
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException 
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);

2.2 释放令牌的过程

通过release()方法释放令牌，本质上是对state字段的值进行累加，代码如下：

public void release() 
    sync.releaseShared(1);

#在AQS中
public final boolean releaseShared(int arg) 
    if (tryReleaseShared(arg)) 
        doReleaseShared();
        return true;
    
    return false;

# Semaphore类中
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) 
    for (;;) 
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    

我们从上述代码中发现 ，线程每调用一次release()方法就会释放一个令牌，实际上是对state变量的值进行累加，最终通过自旋的方式实现更新过程的原子性。

注意这时候release()方法并没有限制state累加的数量不能超过构造方法限制的permits数量，这意味着通过release()可以扩大令牌的数量，例如初始化时permits数量为5，调用release(1000)使得令牌数量变成1000，只要不超过int类型的整数值(next<current)就不会有问题。

另外，不是必须通过acquire()方法的线程来调用release()方法，任意一个线程都可以调用release()方法来释放令牌。这个是专门为开发者设计的“后门”，可以增加程序的灵活性。

还有就是增加的令牌数 ，可以通过reducePermits()方法进行减少，代码如下:

protected void reducePermits(int reduction) 
    if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.reducePermits(reduction);


final void reducePermits(int reductions) 
    for (;;) 
        int current = getState();
        int next = current - reductions;
        if (next > current) // underflow
            throw new Error("Permit count underflow");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return;
    

这就意味着，通过release()和reducePermits()两个方法可以动态地对state令牌数实现增加和减少的调整。