【死磕Java并发】—– J.U.C之并发工具类:Semaphore

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

实现分析

Semaphore结构如下:

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:

  1. Semaphore(int permits) :创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。
  2. 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。

实现如下:

    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

Semaphore默认选择非公平锁。

当信号量Semaphore = 1 时,它可以当作互斥锁使用。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。

信号量获取

Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

    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。

公平

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            //判断该线程是否位于CLH队列的列头
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            //获取当前的信号量许可
            int available = getState();

            //设置“获得acquires个信号量许可之后,剩余的信号量许可数”
            int remaining = available - acquires;

            //CAS设置信号量
            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。

        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }
		
		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;
        }
    }

对于信号量的获取释放详细过程,请参考如下博客:

  1. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:CLH同步队列
  2. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:同步状态的获取与释放
  3. 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:阻塞和唤醒线程
  4. 【死磕Java并发】—–J.U.C之重入锁:ReentrantLock

应用示例

我们已停车为示例:

public class SemaphoreTest {

    static class Parking{
        //信号量
        private Semaphore semaphore;

        Parking(int count){
            semaphore = new Semaphore(count);
        }

        public void park(){
            try {
                //获取信号量
                semaphore.acquire();
                long time = (long) (Math.random() * 10);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场,停车" + time + "秒..." );
                Thread.sleep(time);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }


    static class Car extends Thread {
        Parking parking ;

        Car(Parking parking){
            this.parking = parking;
        }

        @Override
        public void run() {
            parking.park();     //进入停车场
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        Parking parking = new Parking(3);

        for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){
            new Car(parking).start();
        }
    }}

运行结果如下:

原文发布于微信公众号 - 芋道源码(YunaiV)

原文发表时间:2018-04-04

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏林德熙的博客

win10 uwp 异步转同步 使用的条件使用方法使用Task.Wait 时需要小心死锁

在本文开始,我必须告诉大家,这个方法可能立即死锁,所以使用的时候需要满足下面的条件

792
来自专栏chenssy

【死磕Java并发】—–J.U.C之并发工具类:Semaphore

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”。

483
来自专栏老马说编程

(81) 并发同步协作工具 / 计算机程序的思维逻辑

查看历史文章,请点击上方链接关注公众号。 我们在67节和68节实现了线程的一些基本协作机制,那是利用基本的wait/notify实现的,我们提到,Java并发包...

1819
来自专栏xdecode

JDK并发包总结

线程1, 线程2分别去获取lock1, lock2, 触发死锁. 最终通过DeadlockChecker来触发线程中断.

652
来自专栏chenssy

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:CLH同步队列

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8 在上篇博客【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS:AQS简介中提到了AQS内部维护着一个FIFO队列,该队列就是CLH...

3118
来自专栏程序猿DD

死磕Java并发:J.U.C之并发工具类:Semaphore

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”。

873
来自专栏JavaQ

源码阅读之CyclicBarrier

源码阅读是基于JDK7,本篇主要涉及CyclicBarrier常用方法源码分析。文中代码若格式排版不对,可点击底部的阅读原文阅读。 1.概述 CyclicBar...

3257
来自专栏java一日一条

多线程同步中的门道

  在涉及到多线程的开发时,线程同步的考虑是不可缺少的,否则很可能会造成各种超出预料的错误结果。以自己的学习经历来说,对于刚开始接触线程同 步的人可能会感觉非常...

492
来自专栏小灰灰

Java并发学习之ReentrantLock的工作原理及使用姿势

Lock,ReentrantLock的工作原理及使用方式 jdk提供synchronized实现线程同步,但有些场景下并不灵活,如多个同步方法,每次只能有一个...

2686
来自专栏北京马哥教育

十分钟带你了解 Python3 多线程核心知识

每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。 每个线程都有他自...

2475

扫码关注云+社区