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Semaphore原理.md

File metadata and controls

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信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，和CountDownLatch一样，其本质上是一个“共享锁”。

Semaphore，在API是这么介绍的：一个计数信号量。

从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目

下面我们就一个停车场的简单例子来阐述Semaphore：

为了简单起见我们假设停车场仅有5个停车位，一开始停车场没有车辆所有车位全部空着，然后先后到来三辆车，停车场车位够，安排进去停车，然后又来三辆，这个时候由于只有两个停车位，所有只能停两辆，其余一辆必须在外面候着，直到停车场有空车位，当然以后每来一辆都需要在外面候着。当停车场有车开出去，里面有空位了，则安排一辆车进去（至于是哪辆 要看选择的机制是公平还是非公平）。

从程序角度看，停车场就相当于信号量Semaphore，其中许可数为5，车辆就相对线程。当来一辆车时，许可数就会减 1 ，当停车场没有车位了（许可书 == 0 ），其他来的车辆需要在外面等候着。如果有一辆车开出停车场，许可数 + 1，然后放进来一辆车。

号量Semaphore是一个非负整数（>=1）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore值 = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1

应用示列
/**
 * 初始化一个信号量为3，默认是false 非公平锁， 模拟3个停车位
 */
Semaphore semaphore = new Semaphore(3, false);
// 模拟6部车
for (int i = 0; i < 6; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            // 代表一辆车，已经占用了该车位
            semaphore.acquire(); // 抢占
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 抢到车位");
            // 每个车停3秒
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 离开车位");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 释放停车位
            semaphore.release();
        }
    }, String.valueOf(i)).start();
}

结果：

0	 抢到车位,停车9s
2	 抢到车位,停车0s
1	 抢到车位,停车1s
2	 离开车位
3	 抢到车位,停车1s
1	 离开车位
3	 离开车位
4	 抢到车位,停车1s
5	 抢到车位,停车1s
4	 离开车位
5	 离开车位
0	 离开车位
1、实现分析

Semaphore结构如下：

image

从上图可以看出Semaphore内部包含公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync），继承内部类Sync，其中Sync继承AQS（再一次阐述AQS的重要性）。

Semaphore提供了两个构造函数：

  • Semaphore(int permits) ：创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。 Semaphore默认选择非公平锁。
  • Semaphore(int permits, boolean fair) ：创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。
/**
 * @param permits 许可数
 */
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

/**
 * @param permits 许可数
 * @param fair 公平性  默认非公平
 */
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

当信号量Semaphore=1时，它可以当作互斥锁使用（ReentrantLock）。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

2、信号量获取

Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

/**
 * 获取许可
 */
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

内部调用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法以共享模式获取同步状态：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)由子类来实现，对于Semaphore而言，如果我们选择非公平模式，则调用NonfairSync的tryAcquireShared(int arg)方法，否则调用FairSync的tryAcquireShared(int arg)方法。

3、公平
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;
    }
}
非公平

对于非公平而言，因为它不需要判断当前线程是否位于CLH同步队列列头，所以相对而言会简单些。

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}
信号量释放

获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore提供release()来释放许可

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

内部调用AQS的releaseShared(int arg)：

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

releaseShared(int arg)调用Semaphore内部类Sync的tryReleaseShared(int arg)：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        //设置可获取的信号许可数为next
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}