Java并发系列(6)Semaphore源码分析

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作者:劳夫子

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Semaphore(信号量)是JUC包中比较常用到的一个类,它是AQS共享模式的一个应用,可以允许多个线程同时对共享资源进行操作,并且可以有效的控制并发数,利用它可以很好的实现流量控制。

Semaphore提供了一个许可证的概念,可以把这个许可证看作公共汽车车票,只有成功获取车票的人才能够上车,并且车票是有一定数量的,不可能毫无限制的发下去,这样就会导致公交车超载。所以当车票发完的时候(公交车以满载),其他人就只能等下一趟车了。如果中途有人下车,那么他的位置将会空闲出来,因此如果这时其他人想要上车的话就又可以获得车票了。

利用Semaphore可以实现各种池,我们在本篇末尾将会动手写一个简易的数据库连接池。首先我们来看一下Semaphore的构造器。

Semaphore提供了两个带参构造器,没有提供无参构造器。这两个构造器都必须传入一个初始的许可证数量,使用构造器1构造出来的信号量在获取许可证时会采用非公平方式获取,使用构造器2可以通过参数指定获取许可证的方式(公平or非公平)。Semaphore主要对外提供了两类API,获取许可证和释放许可证,默认的是获取和释放一个许可证,也可以传入参数来同时获取和释放多个许可证。在本篇中我们只讲每次获取和释放一个许可证的情况。

1.获取许可证

上面的API是Semaphore提供的默认获取许可证操作。每次只获取一个许可证,这也是现实生活中较常遇到的情况。除了直接获取还提供了尝试获取,直接获取操作在失败之后可能会阻塞线程,而尝试获取则不会。

另外还需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式尝试获取的。在平时我们比较常用到的是acquire方法去获取许可证。下面我们就来看看它是怎样获取的。

可以看到acquire方法里面直接就是调用sync.acquireSharedInterruptibly(1),这个方法是AQS里面的方法,我们在讲AQS源码系列文章的时候曾经讲过,现在我们再来回顾一下。

acquireSharedInterruptibly方法首先就是去调用tryAcquireShared方法去尝试获取,tryAcquireShared在AQS里面是抽象方法,FairSync和NonfairSync这两个派生类实现了该方法的逻辑。FairSync实现的是公平获取的逻辑,而NonfairSync实现的非公平获取的逻辑。

这里需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接调用的是nonfairTryAcquireShared方法,这个方法是在父类Sync里面的。非公平获取锁的逻辑是先取出当前同步状态(同步状态表示许可证个数),将当前同步状态减去参入的参数,如果结果不小于0的话证明还有可用的许可证,那么就直接使用CAS操作更新同步状态的值,最后不管结果是否小于0都会返回该结果值。

这里我们要了解tryAcquireShared方法返回值的含义,返回负数表示获取失败,零表示当前线程获取成功但后续线程不能再获取,正数表示当前线程获取成功并且后续线程也能够获取。我们再来看acquireSharedInterruptibly方法的代码。

如果返回的remaining小于0的话就代表获取失败,因此tryAcquireShared(arg) =0的话就代表当前线程获取成功,因此tryAcquireShared(arg)

以上是非公平获取的整个逻辑,而公平获取时仅仅是在此之前先去调用hasQueuedPredecessors方法判断同步队列是否有人在排队,如果有的话就直接return -1表示获取失败,否则才继续执行下面和非公平获取一样的步骤。

2.释放许可证

调用release方法是释放一个许可证,它的操作很简单,就调用了AQS的releaseShared方法,我们来看看这个方法。

AQS的releaseShared方法首先调用tryReleaseShared方法尝试释放锁,这个方法的实现逻辑在子类Sync里面。

可以看到tryReleaseShared方法里面采用for循环进行自旋,首先获取同步状态,将同步状态加上传入的参数,然后以CAS方式更新同步状态,更新成功就返回true并跳出方法,否则就继续循环直到成功为止,这就是Semaphore释放许可证的流程。

3.动手写个连接池

Semaphore代码并没有很复杂,常用的操作就是获取和释放一个许可证,这些操作的实现逻辑也都比较简单,但这并不妨碍Semaphore的广泛应用。下面我们就来利用Semaphore实现一个简单的数据库连接池,通过这个例子希望读者们能更加深入的掌握Semaphore的运用。

测试代码:

测试结果:

我们使用一个数组来存放数据库连接的引用,在初始化连接池的时候会调用initConnects方法创建指定数量的数据库连接,并将它们的引用存放到数组中,此外还有一个相同大小的数组来记录连接是否可用。

每当外部线程请求获取一个连接时,首先调用semaphore.acquire()方法获取一个许可证,然后将连接状态设置为使用中,最后返回该连接的引用。许可证的数量由构造时传入的参数决定,每调用一次semaphore.acquire()方法许可证数量减1,当数量减为0时说明已经没有连接可以使用了,这时如果其他线程再来获取就会被阻塞。每当线程释放一个连接的时候会调用semaphore.release()将许可证释放,此时许可证的总量又会增加,代表可用的连接数增加了,那么之前被阻塞的线程将会醒来继续获取连接,这时再次获取就能够成功获取连接了。

测试示例中初始化了一个3个连接的连接池,我们从测试结果中可以看到,每当线程获取一个连接剩余的连接数将会减1,等到减为0时其他线程就不能再获取了,此时必须等待一个线程将连接释放之后才能继续获取。可以看到剩余连接数总是在0到3之间变动,说明我们这次的测试是成功的。

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  • 原文链接http://kuaibao.qq.com/s/20180507A08VVD00?refer=cp_1026
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