java并发编程之Semaphore

Posted 2022-12-01 miaomiaoLoveCode

Semaphore，信号量，一般用来控制同时访问特定共享资源的线程数，它通过协调各个线程来保证使用公共资源的合理性。

应用场景

Semaphore，从字面上其实不太好理解它的意思，换个通俗易懂的比喻吧，Semaphore就好比是马路上控制流量的红绿灯。比如上地五街，需要限流，只允许同时有100辆车通过，其他的车辆都必须在路口等待，所以对于前100辆车，它们将会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入，但是如果前100辆车中有20辆车已经驶离上地五街，那么后面的等待车辆允许20辆车驶入。这个例子中车就是线程，驶入马路的车表示正在执行的线程，离开马路的车表示已经执行完成的线程，看见红灯表示线程被阻塞，看见绿灯表示线程可以执行。

这样就很好理解了，Semaphore它主要被用来控制流量，特别是公共资源有限的业务场景。

案例

• 需求：公共缓存，同一时刻只允许3个线程访问。

• 分析及代码实现：
  公共缓存就类比为马路，访问的线程类比为驶入车辆，需要控制同一时刻只能有3辆车驶入该马路。

  注：本文只给出一个简单的demo，表明Semaphore的具体使用方式。

  

  • Semaphore声明：
    Semaphore的构造函数接受int型参数，表示可用的许可证数量，如果在同一时刻允许N个线程获取许可证，就传入N；

  • 线程调用Semaphore的acquire方法获取许可证，获取许可证的实质也就是获取同步器的同步状态；

  • 使用完成之后调用release方法释放许可证，释放许可证的实质也就是释放同同步状态。

Semaphore源码分析

Semaphore同Lock一样，也是自定义AQS同步组件，接下来就以自定义同步器、acquire方法和release方法为切入点详细分析Semaphore的具体实现。

• 自定义同步器
  
  从Sync的代码可以看出：

  • Semaphore的同步器获取同步状态的方式是共享式的；

  • Semaphore提供两种自定义同步器：公平与非公平同步器。换句话说，Semaphore的限流对线程的协调可以是公平的，也可以是非公平的。

  非公平同步器NonfairSync
  

  公平同步器FairSync
  

  对于公平和非公平其实仅限于对同步状态的获取方式上，是抢占式还是非抢占式的，对比源码可以看出，公平式同步器在获取同步状态之前会判断获取同步状态的当前线程的前面是否已有其他线程正在等待获取同步状态，如果有，当前线程进入同步队列等待，而非公平式同步器在获取同步状态时不做该操作，当前线程是否能获取到同步状态由具体的线程调度决定。

• 构造方法
  
  Semaphore提供两个构造方法以供使用者使用，从构造方法实现可以看出：

  • 构造方法传入的int型参数permits其实就是同步器的同步状态；

  • 到底是非公平还是公平由boolean型参数fair决定，不带fair参数默认创建非公平式同步器。

• acquire实现
  
  Semaphore的acquire操作实质是获取同步状态。本文只给出常用的不带参数的acquire()方法的具体实现，至于acquire操作的其他实现，有兴趣的同学可以自行阅读源码，它们的本质没有什么区别。

• release实现
  Semaphore提供带参数的release和不带参数的release：
  
  release操作的实质是释放同步状态，调用不带参数的release后，同步器的同步状态state = state - 1，而调用带参数的release后，state = state - 传入参数permits。

• 其他方法
  Semaphore还提供一些其他的方法，方便使用者使用：

  • public int availablePermits()
    返回此信号量中当前可用的许可证数量；

  • protected void reducePermits(int reduction)
    减少许可证数量，减少的数量 = 传入参数reduction；

  • public final boolean hasQueuedThreads()
    是否有线程正在等待获取许可证；

  • public final int getQueueLength()
    返回正在等待获取许可证的线程数量；

  • protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
    返回所有等待获取许可证的线程集合。