Semaphore 信号量源码分析

概述

Semaphore 信号量， 信号量维护了一组许可。如果有必要每个采集模块都回阻塞，直到有许可可用。然后获取许可证。每次发布都会添加一个许可证，可能会释放一个阻塞资源。但是，没有使用实际的许可对象；信号量可用数量的计数，并且举行操作。 信号量通常可以用于限制访问某些（物理或者逻辑）资源的线程数。比方下面是一个使用信号量控制对线程池访问。
class Pool {   private static final int MAX_AVAILABLE = 100;   private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);   public Object getItem() throws InterruptedException {     available.acquire();     return getNextAvailableItem();   }   public void putItem(Object x) {     if (markAsUnused(x))       available.release();   }   // Not a particularly efficient data structure; just for demo   protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed   protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];   protected synchronized Object getNextAvailableItem() {     for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {       if (!used) {          used = true;          return items;       }     }     return null; // not reached   }   protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) {     for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {       if (item == items) {          if (used) {            used = false;            return true;          } else            return false;       }     }     return false;   } }在获取项目之前，每个线程必须从信号量获取一个许可证，以确保项目可用。当线程处理完该项后，它将返回到池中，并向信号量返回一个许可证，允许另一个线程获取该项。请注意，在调用acquire时不会保持同步锁，因为这会阻止项目返回池。信号量封装了限制对池的访问所需的同步，与维护池本身同等性所需的任何同步分开。
初始化为1的信号量，其使用方式是最多只有一个可用的许可证，可以用作互斥锁。这通常被称为二进制信号量，因为它只有两个状态：一个许可证可用，或者零个许可证可用。以这种方式使用时，二进制信号量的属性（与许多java.util.concurrent.locks.Lock实现差异）是“锁”可以由所有者以外的线程释放（因为信号量没有所有权的概念）。这在某些特定的上下文中非常有用，比方死锁恢复。
此类的构造函数可以选择接受公平性参数。当设置为false时，此类不包管线程获取许可的顺序。特别是，允许bargging，也就是说，调用acquire的线程可以在一直在等待的线程之前分配一个许可证-从逻辑上讲，新线程将自己置于等待线程队列的头部。当公平性设置为true时，信号量包管选择调用任何acquire方法的线程，以按照其调用这些方法的处理顺序（先辈先出；先辈先出）。请注意，FIFO排序必然实用于这些方法中的特定内部执行点。因此，一个线程可以在另一个线程之前调用acquire，但在另一个线程之后到达排序点，雷同地，从方法返回时也是如此。还请注意，untimed tryAcquire方法不支持公平性设置，但将接受任何可用的许可。
通常，用于控制资源访问的信号量应该初始化为公平，以确保没有线程因访问资源而耗尽。当将信号量用于其他类型的同步控制时，非公平排序的吞吐量上风每每凌驾公平性考虑。
此类还提供了方便的方法，可以一次获取和发布多个许可证。当使用这些方法时，如果没有将公平设置为真，则要小心无限期耽误的风险增长。
内存同等性影响：在调用“release”方法（如release（））之前的线程中的操作发生在另一个线程中成功的“acquire”方法（如acquire（）之后的操作）之前。
原理分析

Semaphore 信号量，是控制并发的有用手段。它底层通过 AQS 实现。入下图所示：

                               
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构造方法

Semaphore 构造方法有两个 Semaphore(int permits) 和 Semaphore(int permits, boolean fair) 后者有两个参数：第一个参数是许可数量初始化，第二个参数界说信号量是否公平锁同步（默认为非公平）。
public Semaphore(int permits) {    sync = new NonfairSync(permits);}public Semaphore(int permits, boolean fair) {    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);}acquire 方法

acquire 方法可以为理解获取许可，如果存在剩余许可那么就可以进入后续代码块，如果没有获取线程进入阻塞。 在共享模式下获取，如果停止将中止。通过首先查抄停止状态，然后调用至少一次tryAcquireShared，并在成功时返返来实现。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用tryAcquireShared，直到成功或线程停止。
release 方法

acquire 方法可以为理表明放许可，其他等待许可的线程进入资源竞争阶段。然后去查找等待队列队头有用的等待节点举行叫醒。
整体流程

                               
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举个例子

场景描述

对于控制流量，或者控制并发我们可以使用 Semaphore 信号量来完成。 例子： 有100 个人必要过桥，但是桥上最多同时可以或许承受 5 个人的重量。如果我们必要有序的过桥那么就可以采取信号量的方式来控制。

• 初始化 5 个许可。
  
• 上桥之前先去获取 许可，如果有剩余许可就上桥。
  
• 如果没有 许可，就等待许可。
  

                               
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模拟代码

• 首先界说桥对象，入下所示：
  

public class Bridge {    private String name;    private String address;    private Integer max;    public String getName() {        return name;    }    public void setName(String name) {        this.name = name;    }    public String getAddress() {        return address;    }    public void setAddress(String address) {        this.address = address;    }    public Integer getMax() {        return max;    }    public void setMax(Integer max) {        this.max = max;    }}

• 然后界说迁徙者对象，就是过桥的人，然后他有个动作就是过桥。代码如下所示。
  

public class Migrator {    private String name;    public void gapBridge() {        System.out.println("Migrator: " + this.name + ", time:" + System.currentTimeMillis());    }    public String getName() {        return name;    }    public void setName(String name) {        this.name = name;    }}

• 调用代码如下：
  

public class MainTest {    public static void main(String[] args) {        Bridge bridge = new Bridge();        bridge.setAddress("云南");        bridge.setName("XX 桥");        bridge.setMax(5);        Semaphore semaphore = new Semaphore(bridge.getMax());        for (int i=0; i< 100; i++) {            int idx = i;            new Thread(()-> {                try {                    Migrator migrator = new Migrator();                    migrator.setName("name-" + idx);                    semaphore.acquire();                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);                    migrator.gapBridge();                    System.out.println("name " + migrator.getName() + " 通过");                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                } finally {                    semaphore.release();                }            }).start();        }    }}

• 输出日志如下：我们可以看到刚开始的时候有 5 个线程获取到 "许可" 几乎同时过桥，后面逐渐就是释放一个许可，另外一个线程继续执行。
  

Migrator: name-7, time:1630495912011name name-7 通过Migrator: name-2, time:1630495912011name name-2 通过Migrator: name-4, time:1630495912011Migrator: name-8, time:1630495912011Migrator: name-3, time:1630495912011name name-3 通过name name-8 通过name name-4 通过Migrator: name-5, time:1630495913012name name-5 通过Migrator: name-0, time:1630495913012name name-0 通过Migrator: name-6, time:1630495913013