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JDK源码分析-Semaphore

概述

Semaphore 是并发包中的一个工具类，可理解为信号量。通常可以作为限流器使用，即限制访问某个资源的线程个数，比如用于限制连接池的连接数。

打个通俗的比方，可以把 Semaphore 理解为一辆公交车：车上的座位数（初始的“许可” permits 数量）是固定的，行驶期间如果有人上车（获取许可），座位数（许可数量）就会减少，当人满的时候不能再继续上车了（获取许可失败）；而有人下车（释放许可）后就空出了一些座位，其他人就可以继续上车了。

下面具体分析其代码实现。

代码分析

Semaphore 的方法如下：

JDK源码分析-Semaphore

其中主要方法是 acquire() 和 release() 相关的一系列方法，它们的作用类似。我们先从构造器开始分析。

构造器

private final Sync sync;

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，非公平

public Semaphore(int permits) {

sync = new NonfairSync(permits);

}

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，指定是否公平

public Semaphore(int permits, boolean fair) {

sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);

}

构造器初始化了 Sync 变量，根据传入的 fair 值指定为 FairSync 或 NonFairSync，下面分析这三个类。

内部嵌套类 Sync：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

// 构造器，将父类 AQS 的 state 变量初始化为给定的 permits

Sync(int permits) {

setState(permits);

}

// 非公平方式尝试获取许可（减少 state 的值）

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {

// 自旋操作

for (;;) {

// 获取许可值（state），并尝试 CAS 修改为减去后的结果

int available = getState();

int remaining = available - acquires;

if (remaining < 0 ||

compareAndSetState(available, remaining))

return remaining;

}

// 释放许可（增加 state 的值）

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {

for (;;) {

// 操作与获取类似，不同的在于此处是增加 state 值

int current = getState();

int next = current + releases;

if (next < current) // overflow

throw new Error("Maximum permit count exceeded");

if (compareAndSetState(current, next))

return true;

}

// 一些方法未给出...

}

可以看到 Sync 类继承自 AQS，并重写了 AQS 的 tryReleaseShared 方法，其中获取和释放许可分别对应的是对 AQS 中 state 值的减法和加法操作。具体可参考前文对 AQS 共享模式的分析「 JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3) 」。

NonFairSync (非公平版本实现 )：

static final class NonfairSync extends Sync {

private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

// 调用父类 Sync 的构造器来实现

NonfairSync(int permits) {

super(permits);

}

// 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，代码实现在父类 Sync 中

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

return nonfairTryAcquireShared(acquires);

}

FairSync (公平版本实现)：

static final class FairSync extends Sync {

private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;

// 构造器调用父类 Sync 的构造器来实现

FairSync(int permits) {

super(permits);

}

// 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，尝试获取许可（permit）

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

for (;;) {

// 若队列中有其他线程等待，则获取失败（这就是体现“公平”的地方）

if (hasQueuedPredecessors())

return -1;

// 获取当前的许可值

int available = getState();

// 计算剩余值

int remaining = available - acquires;

if (remaining < 0 ||

compareAndSetState(available, remaining))

return remaining;

}

PS: 体现“公平”的地方在于 tryAcquireShared 方法中，公平的版本会先判断队列中是否有其它线程在等待（hasQueuedPredecessors 方法）。

主要方法的代码实现：

// 获取一个许可（可中断）

public void acquire() throws InterruptedException {

sync.acquireSharedInterruptibly(1);

}

// 获取一个许可（不响应中断）

public void acquireUninterruptibly() {

sync.acquireShared(1);

}

// 尝试获取一个许可

public boolean tryAcquire() {

return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;

}

// 尝试获取一个许可（有超时等待）

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

throws InterruptedException {

return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));

}

// 释放一个许可

public void release() {

sync.releaseShared(1);

}

还有一系列类似的操作，只不过获取/释放许可的数量可以指定：

// 获取指定数量的许可（可中断）

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {