Semaphore实现原理分析

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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Semaphore实现原理分析相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

synchronized的语义是互斥锁,就是在同一时刻,只有一个线程能获得执行代码的锁。但是现实生活中,有好多的场景,锁不止一把。

比如说,又到了十一假期,买票是重点,必须圈起来。在购票大厅里,有5个售票窗口,也就是说同一时刻可以服务5个人。要实现这种业务需求,用synchronized显然不合适。

查看Java并发工具,发现有一个Semaphore类,天生就是处理这种情况的。

先用Semaphore实现一个购票的小例子,来看看如何使用

 

package semaphore;

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Ticket {

    public static void main(String[] args) {
        Semaphore windows = new Semaphore(5);  // 声明5个窗口
        
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        windows.acquire();  // 占用窗口
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始买票");
                        sleep(2000);  // 睡2秒,模拟买票流程
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 购票成功");
                        windows.release();  // 释放窗口
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

 

运行结果

技术分享
Thread-1: 开始买票
Thread-3: 开始买票
Thread-4: 开始买票
Thread-2: 开始买票
Thread-0: 开始买票
Thread-1: 购票成功
Thread-5: 开始买票
Thread-3: 购票成功
Thread-2: 购票成功
Thread-4: 购票成功
Thread-7: 开始买票
Thread-6: 开始买票
Thread-0: 购票成功
Thread-7: 购票成功
Thread-5: 购票成功
Thread-6: 购票成功
View Code

从结果来看,最多只有5个线程在购票。而这么精确的控制,我们也只是调用了acquire和release方法。下面看看是如何实现的。

从acquire方法进去,又可以看到老套路:具体调用的还是AbstractQueuedSynchronizer这个类的逻辑

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }
而tryAcquireShared方法留给了子类去实现,Semaphore类里面的两个内部类FairSync和NonfairSync都继承自AbstractQueuedSynchronizer。这两个内部类,从名字来看,一个实现了公平锁,另一个是非公平锁。这里多说一句,所谓公平和非公平是这个意思:假设现在有一个线程A在等待获取锁,这时候又来了线程B,如果这个时候B不考虑A的感受,也去申请锁,显然不公平;反之,只要A是先来的,B一定要排在A的后面,不能马上去申请锁,就是公平的。
Semaphore默认是调用了NonfairSync的tryAcquireShared方法,主要逻辑:
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

这又是一个经典的CAS操作加无限循环的算法,用来保证共享变量的正确性。另外,此处的getState()方法很是迷惑人,你以为是获取状态,实则不然。我们先看看Semaphore的构造方法:

    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
        // 内部类
        NonfairSync(int permits) {
            super(permits);
        }
        // 内部类,NonfairSync的父类
        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

我们传进去的参数5,最终传给了setState方法,而getState和setState方法都在AbstractQueuedSynchronizer类里面

    /**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

    protected final int getState() {
        return state;
    }

    protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
    }

也就是说父类定义了一个属性state,并配有final的get和set方法,子类只需要继承该属性,想代表什么含义都可以,比如Semaphore里面的内部类Sync就把这个属性当作最大允许访问的permits,像CountDownLatch和CyclicBarrier都是这么干的。这种方式似乎不太好理解,为什么不是每个子类都定义自己的具有明确语义的属性,而是把控制权放在父类???我猜是出于安全的考虑。反正,大师的思考深度,我们揣摩不了。

再回到tryAcquireShared方法,这个方法是有参数的---int型的acquires,代表你要一次占几个坑。我们调用的无参的acquire方法,默认是传入1作为参数调用的这个方法,一次只申请一个坑。但是有的情况下,你可能一次需要多个,比如高富帅需要同时交多个女朋友。方法的返回值是剩余的坑的数量,如果数量小于0,执行AbstractQueuedSynchronizer这个类的doAcquireSharedInterruptibly方法。

    /**
     * Acquires in shared interruptible mode.
     * @param arg the acquire argument
     */
    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

这个方法的逻辑与独占模式下的逻辑差不多,可以看看之前讲Condition的那篇,出门一路左拐。当所有的坑都被占着的时候,再来的线程都会被封装成节点,添加到等待的队列里面去。不同的是,这里的节点都是共享模式,而共享模式是实现多个坑同时提供服务的核心。

再来看看坑的释放,从release方法进去,核心逻辑在tryReleaseShared方法:

        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;
            }
        }

CAS、无限循环,熟悉的配方,熟悉的味道。同获取一样,这里也可以一次释放多个坑。然而,这里考虑到了next小于current的情况,我是绞尽脑汁也没想出来。传进来的releases一般都是大于0的整数(大部分情况下就是1),最终还是会造成next小于current,实在是想不出来,而且还是抛出Error。但是这种情况,通过代码可以精确的再现。好吧,是在下输了。如果读者中有高人,请指点一二,不胜感激!!!

前面这么多都只是分析了非公平模式下的处理逻辑,而公平模式下的逻辑多了一个判断,就是看看前面还有没有线程在等待(节点有没有前驱)。具体的细节,希望读者自己玩味。

最后总结一下:所有的并发核心控制逻辑都在AbstractQueuedSynchronizer这个类中,只有理解了这个类的设计思路,才能真正理解衍生出来的工具类的实现原理。

 

 

 

 

 



以上是关于Semaphore实现原理分析的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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