并发编程之Semaphore源码解析

Posted 2020-12-07 housh

一  什么是Semaphore、Semaphore用来做什么

    semaphore是计数信号量，可用于多线程并发执行时，限制获取资源的线程数量。常用场景为：限流。

 

二  Semaphore用法

 1 public class SemaphoreTest {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         // 声明5个窗口  state:  资源数
 5         Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
 6 
 7         for (int i = 0; i < 3; i++) {
 8             new Thread(new Runnable() {
 9                 @Override
10                 public void run() {
11                     try {
12                         // 占用窗口
13                         semaphore.acquire(2);
14                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始买票");
15                         //模拟买票流程
16                         Thread.sleep(5000);
17                         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 购票成功");
18                         // 释放窗口
19                         semaphore.release(2);
20                     } catch (InterruptedException e) {
21                         e.printStackTrace();
22                     }
23                 }
24             }).start();
25         }
26     }
27 }

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执行结果为：

 

 

为什么会出现这种情况呢？

 

三 Semaphore源码解析

看上图执行结果和执行过程，我们会提出三个疑问：

1、Semaphore如何获取信号量

2、Semaphore获取信号量失败，又如何进入等待队列

3、等待队列线程如何阻塞的

4、release信号量时，又如何唤醒下一个线程的。

看上图可以解答如何获取信号量、获取信号量失败时如何添加到等待队列

1、Semaphore如何获取信号量

 　　核心逻辑在Sync.nonfairTryAcquireShared()方法，首先getState(),state为volatitle变量，remaining>0且cas更新成功，代表获取信号量成功

 1 abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 2         final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
 3             for (;;) {
 4                 int available = getState();
 5                 int remaining = available - acquires;
 6                 if (remaining < 0 ||
 7                     compareAndSetState(available, remaining))
 8                     return remaining;
 9             }
10         }
11 }

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2、Semaphore获取信号量失败，又如何进入等待队列

　　首先等待队列是一个双向链表。

　　thread2插入的时候，链表为空，需要初始化head节点，然后把thread2放到head节点的next

　　thread3,可以快速插入，放到thread2的next节点。

 1 private Node addWaiter(Node mode) {
 2 // 以给定的模式来构建节点， mode有两种模式
 3 // 共享式SHARED， 独占式EXCLUSIVE;
 4  Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
 5   // 尝试快速将该节点加入到队列的尾部
 6   Node pred = tail;
 7   if (pred != null) {
 8     node.prev = pred;
 9       if (compareAndSetTail(pred, node)) {
10         pred.next = node;
11         return node;
12      }
13    }
14     // 如果快速加入失败，则通过 anq方式入列
15     enq(node);
16     return node;
17  }
18 private Node enq(final Node node) {
19 // CAS自旋，直到加入队尾成功    
20 for (;;) {
21   Node t = tail;
22     if (t == null) { // 如果队列为空，则必须先初始化CLH队列，新建一个空节点标识作为
23 Hader节点,并将tail 指向它
24       if (compareAndSetHead(new Node()))
25         tail = head;
26      } else {// 正常流程，加入队列尾部
27         node.prev = t;
28           if (compareAndSetTail(t, node)) {
29             t.next = node;
30             return t;
31        }
32 出队操作
33 同步队列（CLH）遵循FIFO，首节点是获取同步状态的节点，首节点的线程释放同步状态后，将会唤醒
34 它的后继节点（next），而后继节点将会在获取同步状态成功时将自己设置为首节点
35 Condition队列
36 Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些
37 对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，Lock 替代了
38 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。
39      }
40    }
41  }

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3、等待队列线程如何阻塞的

　　加入等待队列成功后，调用shouldParkAfterFailedAcquire方法把等待队列waitStatus置为-1（等待被通知执行状态），然后调用parkAndCheckInterrupt方法阻塞当前线程。

1  private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
2         LockSupport.park(this);
3         return Thread.interrupted();
4     }

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4、release信号量时，又如何唤醒下一个线程的

  1、自旋为aqs的state值cas添加释放的信号量

 1 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
 2             for (;;) {
 3                 int current = getState();
 4                 int next = current + releases;
 5                 if (next < current) // overflow
 6                     throw new Error("Maximum permit count exceeded");
 7                 if (compareAndSetState(current, next))
 8                     return true;
 9             }
10         }

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  2、当前线程出队，next节点为head节点，并且唤醒next线程

 1 private void doReleaseShared() {
 2 //移除当前节点，设置next接单为head
 3         for (;;) {
 4             Node h = head;
 5             if (h != null && h != tail) {
 6                 int ws = h.waitStatus;
 7                 if (ws == Node.SIGNAL) {
 8                     if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
 9                         continue;            // loop to recheck cases
10                    //唤醒next线程
11                     unparkSuccessor(h);
12                 }
13                 else if (ws == 0 &&
14                          !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
15                     continue;                // loop on failed CAS
16             }
17             if (h == head)                   // loop if head changed
18                 break;
19         }
20     }            

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unparkSuccessor---->LockSupport.unpark(s.thread);