AQS源码探究_09 Semaphore源码分析

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了AQS源码探究_09 Semaphore源码分析相关的知识,希望对你有一定的参考价值。


1、简介

  • Semaphore,信号量,它保存了一系列的许可(permits),每次调用acquire()都将消耗一个许可,每次调用release()都将归还一个许可。
  • Semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上,也就是常说的限流。
  • Semaphore信号量,获取通行证流程图:

在这里插入图片描述

2、入门案例

案例1:Pool.java

/**
 * date: 2021/5/10
 * @author csp
 */
public class Pool {
    /**
     * 可同时访问资源的最大线程数
     */
    private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
    
    /**
     * 信号量 表示:可获取的对象通行证
     */
    private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);
    
    /**
     * 共享资源,可以想象成 items 数组内存储的都是Connection对象 模拟是连接池
     */
    protected Object[] items = new Object[MAX_AVAILABLE];
    
    /**
     * 共享资源占用情况,与items数组一一对应,比如:
     * items[0]对象被外部线程占用,那么 used[0] == true,否则used[0] == false
     */
    protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

    /**
     * 获取一个空闲对象
     * 如果当前池中无空闲对象,则等待..直到有空闲对象为止
     */
    public Object getItem() throws InterruptedException {
        // 每次调用acquire()都将消耗一个许可(permits)
        available.acquire();
        return getNextAvailableItem();
    }

    /**
     * 归还对象到池中
     */
    public void putItem(Object x) {
        if (markAsUnused(x))
            available.release();
    }

    /**
     * 获取池内一个空闲对象,获取成功则返回Object,失败返回Null
     * 成功后将对应的 used[i] = true
     */
    private synchronized Object getNextAvailableItem() {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return items[i];
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 归还对象到池中,归还成功返回true
     * 归还失败:
     * 1.池中不存在该对象引用,返回false
     * 2.池中存在该对象引用,但该对象目前状态为空闲状态,也返回false
     */
    private synchronized boolean markAsUnused(Object item) {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (item == items[i]) {
                if (used[i]) {
                    used[i] = false;
                    return true;
                } else
                    return false;
            }
        }
        return false;
    }
}

案例2:SemaphoreTest02.java

/**
 * date: 2020/5/10
 * @author csp
 */
public class SemaphoreTest02 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 声明信号量,初始的许可(permits)为2
        // 公平模式:fair为true
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(2, true);

        Thread tA = new Thread(() ->{
            try {
                // 每次调用acquire()都将消耗一个许可(permits)
                semaphore.acquire();
                System.out.println("线程A获取通行证成功");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }finally {
                // 每次调用release()都将归还一个许可(permits)
                semaphore.release();
            }
        });
        tA.start();
        // 确保线程A已经执行
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);

        Thread tB = new Thread(() ->{
            try {
                // 调用acquire(2)都将消耗2个许可(permits)
                semaphore.acquire(2);
                System.out.println("线程B获取通行证成功");
            } catch (InterruptedException e) {
            }finally {
                // 调用release(2)都将归还2个许可(permits)
                semaphore.release(2);
            }
        });
        tB.start();
        // 确保线程B已经执行
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);

        Thread tC = new Thread(() ->{
            try {
                // 每次调用acquire()都将消耗一个许可(permits)
                semaphore.acquire();
                System.out.println("线程C获取通行证成功");
            } catch (InterruptedException e) {
            }finally {
                // 每次调用release()都将归还一个许可(permits)
                semaphore.release();
            }
        });
        tC.start();
    }
}

执行结果:

线程A获取通行证成功
线程B获取通行证成功
线程C获取通行证成功

3、源码分析

内部类Sync

  • 通过Sync的几个实现方法,我们获取到以下几点信息:
    • 许可是在构造方法时传入的;
    • 许可存放在状态变量state中;
    • 尝试获取一个许可的时候,则state的值减1;
    • 当state的值为0的时候,则无法再获取许可;
    • 释放一个许可的时候,则state的值加1;
    • 许可的个数可以动态改变;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

    // 构造方法,传入许可次数,放入state中
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    // 获取许可次数
    final int getPermits() {
        return getState();
    }

	// 非公平模式尝试获取许可
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            // 先看看还有几个许可
            int available = getState();
            // 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可
            int remaining = available - acquires;
            // 如果剩余许可小于0了则直接返回
            // 如果剩余许可不小于0,则尝试原子更新state的值,成功了返回剩余许可
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

    // 释放许可
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            // 先看看还有几个许可
            int current = getState();
            // 加上这次释放的许可
            int next = current + releases;
            // 检测溢出
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            // 如果原子更新state的值成功,就说明释放许可成功,则返回true
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }

	// 减少许可
    final void reducePermits(int reductions) {
        for (;;) {
            // 先看看还有几个许可
            int current = getState();
            // 减去将要减少的许可
            int next = current - reductions;
            // 检测溢出
            if (next > current) // underflow
                throw new Error("Permit count underflow");
            // 原子更新state的值,成功了返回true
            if (compareAndSetState(current, next))
                return;
        }
    }
    
	// 销毁许可
    final int drainPermits() {
        for (;;) {
            // 先看看还有几个许可
            int current = getState();
            // 如果为0,直接返回
			// 如果不为0,把state原子更新为0
            if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                return current;
        }
    }
}

内部类NonfairSync

非公平模式下,直接调用父类的nonfairTryAcquireShared()尝试获取许可。

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
	
	// 构造方法,调用父类的构造方法
    NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
	// 尝试获取许可,调用父类的nonfairTryAcquireShared()方法
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}

内部类FairSync

公平模式下,先检测前面是否有排队的,如果有排队的则获取许可失败,进入队列排队,否则尝试原子更新state的值。

**注意:**为了阅读方便,该内部类中将一些AQS中的方法粘贴过来了,在方法头注释加有标注!

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

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

    /**
     * 该方法位于AQS中:
     * 尝试获取通行证,获取成功返回 >= 0的值;
     * 获取失败 返回 < 0 值
     */
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            // 判断当前 AQS 阻塞队列内 是否有等待者线程,如果有直接返回-1,表示当前aquire操作的线程需要进入到队列等待..
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            // 执行到这里,有哪几种情况?
            // 1.调用aquire时 AQS阻塞队列内没有其它等待者
            // 2.当前节点 在阻塞队列内是headNext节点

            // 获取state ,state这里表示 通行证
            int available = getState();
            // remaining 表示当前线程 获取通行证完成之后,semaphore还剩余数量
            int remaining = available - acquires;

            // 条件一:remaining < 0 成立,说明线程获取通行证失败..
            // 条件二:前置条件,remaning >= 0, CAS更新state 成功,说明线程获取通行证成功,CAS失败,则自旋。
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

    /**
     * 该方法位于AQS中:
     */
    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        // 条件成立:说明当前调用acquire方法的线程 已经是 中断状态了,直接抛出异常..
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();

        // 对应业务层面 执行任务的线程已经将latch打破了。然后其他再调用latch.await的线程,就不会在这里阻塞了
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

    /**
     * 该方法位于AQS中:
     */
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        // 将调用Semaphore.aquire方法的线程 包装成node加入到 AQS的阻塞队列当中。
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                // 获取当前线程节点的前驱节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 条件成立,说明当前线程对应的节点 为 head.next节点
                if (p == head) {
                    // head.next节点就有权利获取 共享锁了..
                    int r = tryAcquireShared(arg);


                    // 站在Semaphore角度:r 表示还剩余的通行证数量
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // shouldParkAfterFailedAcquire  会给当前线程找一个好爸爸,最终给爸爸节点设置状态为 signal(-1),返回true
                // parkAndCheckInterrupt 挂起当前节点对应的线程...
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }


    /**
     * 该方法位于AQS中:
     * 设置当前节点为 head节点,并且向后传播!(依次唤醒!)
     */
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        // 将当前节点设置为 新的 head节点。
        setHead(node);
        // 调用setHeadAndPropagete 时  propagate  == 1 一定成立
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
                (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            // 获取当前节点的后继节点..
            Node s = node.next;
            // 条件一:s == null  什么时候成立呢?  当前node节点已经是 tail了,条件一会成立。 doReleaseShared() 里面会处理这种情况..
            // 条件二:前置条件,s != null , 要求s节点的模式必须是 共享模式。 latch.await() -> addWaiter(Node.SHARED)
            if (s == null || s.isShared())
                // 基本上所有情况都会执行到 doReleasseShared() 方法。
                doReleaseShared();
        }
    }

    //AQS.releaseShared 该方法位于AQS中:
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        // 条件成立:表示当前线程释放资源成功,释放资源成功后,去唤醒获取资源失败的线程..
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            // 唤醒获取资源失败的线程...
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * 唤醒获取资源失败的线程
     *
     * CountDownLatch版本
     * 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢?
     * 1.latch.countDown() -> AQS.state == 0 -> doReleaseShared() 唤醒当前阻塞队列内的 head.next 对应的线程。
     * 2.被唤醒的线程 -> doAcquireSharedInterruptibly parkAndCheckInterrupt() 唤醒 -> setHeadAndPropagate() -> doReleaseShared()
     *
     * Semaphore版本
     * 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢?
     *
     */
    //AQS.doReleaseShared 该方法位于AQS中:
    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            // 获取当前AQS 内的 头结点
            Node h = head;
            // 条件一:h != null 成立,说明阻塞队列不为空..
            // 不成立:h == null 什么时候会是这样呢?
            // latch创建出来后,没有任何线程调用过 await() 方法之前,有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..

            // 条件二:h != tail 成立,说明当前阻塞队列内,除了head节点以外  还有其他节点。
            // h == tail  -> head 和 tail 指向的是同一个node对象。 什么时候会有这种情况呢?
            // 1. 正常唤醒情况下,依次获取到 共享锁,当前线程执行到这里时 (这个线程就是 tail 节点。)
            // 2. 第一个调用await()方法的线程 与 调用countDown()且触发唤醒阻塞节点的线程 出现并发了..
            //   因为await()线程是第一个调用 latch.await()的线程,此时队列内什么也没有,它需要补充创建一个Head节点,然后再次自旋时入队
            //   在await()线程入队完成之前,假设当前队列内 只有 刚刚补充创建的空元素 head 。
            //   同期,外部有一个调用countDown()的线程,将state 值从1,修改为0了,那么这个线程需要做 唤醒 阻塞队列内元素的逻辑..
            //   注意:调用await()的线程 因为完全入队完成之后,再次回到上层方法 doAcquireSharedInterruptibly 会进入到自旋中,
            //   获取当前元素的前驱,判断自己是head.next, 所以接下来该线程又会将自己设置为 head,然后该线程就从await()方法返回了...
            if (h != null && h != tail) {
                // 执行到if里面,说明当前head 一定有 后继节点!

                int ws = h.waitStatus;
                // 当前head状态 为 signal 说明 后继节点并没有被唤醒过呢...
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    // 唤醒后继节点前 将head节点的状态改为 0
                    // 这里为什么,使用CAS呢? 回头说...
                    // 当doReleaseShared方法 存在多个线程 唤醒 head.next 逻辑时,
                    // CAS 可能会失败...
                    // 案例:
                    // t3 线程在if(h == head) 返回false时,t3 会继续自旋. 参与到 唤醒下一个head.next的逻辑..
                    // t3 此时执行到 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 成功.. t4 在t3修改成功之前,也进入到 if (ws == Node.SIGNAL) 里面了,
                    // 但是t4 修改 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 会失败,因为 t3 改过了...
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    // 唤醒后继节点
                    unparkSuccessor(h);
                }

                else if (ws == 0 &&
                        !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }

            // 条件成立:
            // 1.说明刚刚唤醒的 后继节点,还没执行到 setHeadAndPropagate方法里面的 设置当前唤醒节点为head的逻辑。
            // 这个时候,当前线程 直接跳出去...结束了..
            // 此时用不用担心,唤醒逻辑 在这里断掉呢?、
            // 不需要担心,因为被唤醒的线程 早晚会执行到doReleaseShared方法。

            // 2.h == null  latch创建出来后,没有任何线程调用过 await() 方法之前,
            // 有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..
            // 3.h == tail  -> head 和 tail 指向的是同一个node对象

            // 条件不成立:
            // 被唤醒的节点 非常积极,直接将自己设置为了新的head,此时 唤醒它的节点(前驱),执行h == head 条件会不成立..
            // 此时 head节点的前驱,不会跳出 doReleaseShared 方法,会继续唤醒 新head 节点的后继...
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }
}

构造方法

创建Semaphore时需要传入许可次数。Semaphore默认也是非公平模式,但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。

// 构造方法,创建时要传入许可次数,默认使用非公平模式
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

// 构造方法,需要传入许可次数,及是否公平模式
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

acquire()方法

获取一个许可,默认使用的是可中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入AQS的队列中排队。

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

// 获取一个许可,非中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入AQS的队列中排队。
public void acquireUninterruptibly() {
     sync.acquireShared(1);
}

acquire(int permits)方法

一次获取多个许可,可中断方式。

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) AQS源码探究_07 CountDownLatch源码分析

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