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Semaphore 原理简介和使用

Semaphore共享锁

简介

`在多线程环境下用于协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源

信号量维护了一个许可集，我们在初始化Semaphore时需要为这个许可集传入一个数量值，

该数量值代表同一时间能访问共享资源的线程数量。

线程可以通过acquire()方法获取到一个许可，然后对共享资源进行操作，

如果许可集已分配完了，那么线程将进入等待状态，

直到其他线程释放许可才有机会再获取许可，线程释放一个许可通过release()方法完成

DEMO了解其用法

Semaphore 原理简介和使用

`上述示例说明：

在创建Semaphore时初始化5个许可，这也就意味着同一个时间点允许5个线程进行共享资源访问，

使用acquire()方法为每个线程获取许可，并进行休眠1秒，如果5个许可已被分配完，

新到来的线程将进入等待状态。如果线程顺利完成操作将通过release()方法释放许可，

我们执行代码，可以发现每隔1秒几乎同一时间出现5条线程访问

Semaphore实现互斥锁

简介

`在初始化信号量时传入1，使得它在使用时最多只有一个可用的许可，从而可用作一个相互排斥的锁。

这通常也称为二进制信号量，因为它只能有两种状态：一个可用的许可或零个可用的许可。

按此方式使用时，二进制信号量具有某种属性（与很多 Lock 实现不同），即可以由线程释放“锁”，而不是由所有者（因为信号量没有所有权的概念)

DEMO了解其用法

Semaphore 原理简介和使用

`创建一个数量为1的互斥信号量Semaphore，

然后并发执行10个线程，在线程中利用Semaphore控制线程的并发执行，

因为信号量数值只有1，因此每次只能一条线程执行，其他线程进入等待状态

Semaphore提供的方法

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(int permits, boolean fair) 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的Semaphore，true即为公平锁
void acquireUninterruptibly() 从此信号量中获取许可，不可中断
int availablePermits() 返回此信号量中当前可用的许可数
int drainPermits() 获取并返回立即可用的所有许可
protected Collection<Thread> getQueuedThreads() 返回一个 collection，包含可能等待获取的线程
int getQueueLength() 返回正在等待获取的线程的估计数目
boolean hasQueuedThreads() 查询是否有线程正在等待获取
boolean isFair() 如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true
boolean tryAcquire() 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可

内部原理分析

类图

Semaphore 原理简介和使用

`AQS是基础组件，只负责核心并发操作，如加入或维护同步队列，控制同步状态，等，

而具体的加锁和解锁操作交由子类完成，

因此子类Semaphore共享锁的获取与释放需要自己实现，

这两个方法分别是获取锁的tryAcquireShared(int arg)方法和释放锁的tryReleaseShared(int arg)方法，这点从Semaphore的内部结构完全可以看出来

Semaphore 原理简介和使用

`Semaphore的内部类公平锁(FairSync)和非公平锁(NoFairSync)各自实现不同的获取锁方法即tryAcquireShared(int arg)，

毕竟公平锁和非公平锁的获取稍后不同，

而释放锁tryReleaseShared(int arg)的操作交由Sync实现，因为释放操作都是相同的，因此放在父类Sync中实现当然是最好的

源码分析

Semaphore 原理简介和使用

`默认非公平锁

Semaphore 原理简介和使用

`初始化信号量的时候传入的 permits 参数最终会赋值到aqs的state变量

并对state进行cas操作

调用Semaphore的acquire()方法后，

执行过程是这样的，

当一个线程请求到来时，如果state值代表的许可数足够使用，

那么请求线程将会获得同步状态即对共享资源的访问权，并更新state的值(一般是对state值减1)，

但如果state值代表的许可数已为0，则请求线程将无法获取同步状态，

线程将被加入到同步队列并阻塞，

直到其他线程释放同步状态(一般是对state值加1)才可能获取对共享资源的访问权

Semaphore 原理简介和使用

`先获取state的值，并执行减法操作，得到remaining值，

如果remaining大于等于0，那么线程获取同步状态成功，可访问共享资源，并更新state的值，

如果remaining小于0，那么线程获取同步状态失败，将被加入同步队列(通过doAcquireSharedInterruptibly(arg))

采用无锁(CAS)并发的操作保证对state值修改的安全

Semaphore 原理简介和使用

`1、在方法中，由于当前线程没有获取同步状态，因此创建一个共享模式（Node.SHARED）的结点并通过addWaiter(Node.SHARED)加入同步队列，

2、加入完成后，当前线程进入自旋状态，首先判断前驱结点是否为head，

a、如果是，那么尝试获取同步状态并返回r值，如果r大于0，则说明获取同步状态成功，将当前线程设置为head并传播，传播指的是，同步状态剩余的许可数值不为0，通知后续结点继续获取同步状态，到此方法将会return结束，获取到同步状态的线程将会执行原定的任务。

b、如果前驱结点不为head或前驱结点为head并尝试获取同步状态失败，那么调用shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)方法判断前驱结点的waitStatus值是否为SIGNAL并调整同步队列中的node结点状态，如果返回true，那么执行parkAndCheckInterrupt()方法，将当前线程挂起并返回是否中断线程的flag

Semaphore 原理简介和使用