Java信号量—Semaphore_JAVA_编程开发_程序员俱乐部

class="MsoNormal">Semaphore用来控制同时访问某一资源的操作数量，或控制同时执行某个指定操作的数量。主要通过控制一组虚拟的“许可”，当需要执行操作时首先申请获取许可，如果还有剩余的许可 并且获取成功，就执行操作；如果剩余许可为0，就阻塞当前线程；操作执行完成后释放许可，排队的阻塞线程可以被唤醒重新获取许可继续执行。这里提到排队，其实就是利用AQS的队列进行排队。

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咋一看跟CountDownLatch有点类似，都维护了一个计数器。不同的是，CountDownLatch一开始就通过await阻塞线程，其他操作不停的对计数器减1（也可以大于1），直到为0时唤醒所有线程；Semaphore是执行操作之前对计数器减1（也可以大于1），执行完成之后释放许可对计数器加1。不难看出CountDownLatch只能使用一次，计数器为0后就不能再次使用了，而Semaphore有进有出，可以一直使用。

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但Semaphore本质上也是基于AQS实现的，只是在重写AQS的方法时稍有不同。在详细分析Semaphore具体实现之前，先看看Semaphore是如何使用的。这里依旧以游戏为例，总所周知的大型网络游戏“魔兽世界”，在高峰期登陆游戏都需要排队，为什么呢？因为服务器资源有限，如果不做限制 服务器负载达到极限就会崩溃。这里我们用Semaphore来模拟实现“魔兽世界”中的排队，这里假设同一个服务器同一时间只能同时允许10个人同时在线，但现在有20位玩家在排队上线：

Java代码??

1. /**?
2. ?*?Created?by?gantianxing?on?2018/1/3.?
3. ?*/??
4. public?class?SemaphoreTest?{??
5. ???
6. ????public?static?void?main(String[]?args)?{??
7. ????????//假设服务器只能承受10个人同时在线??
8. ????????Semaphore?semaphore?=?new?Semaphore(10,true);??
9. ????????//模拟20个玩家线程??
10. ????????ExecutorService?executorService?=?Executors.newFixedThreadPool(20);??
11. ????????for?(int?i=0;i<20;i++){??
12. ????????????executorService.submit(new?WowPlayer(semaphore,i+""));??
13. ????????}??
14. ????????executorService.shutdown();??
15. ????}??
16. }??
17. ???
18. class?WowPlayer?implements?Runnable{??
19. ????private?Semaphore?semaphore;??
20. ????private?String?name;??
21. ???
22. ????public?WowPlayer(Semaphore?semaphore,String?name)?{??
23. ????????this.semaphore?=?semaphore;??
24. ????????this.name?=?name;??
25. ????}??
26. ???
27. ????@Override??
28. ????public?void?run()?{??
29. ????????System.out.println("玩家："+name+"开始排队");??
30. ????????try?{??
31. ????????????semaphore.acquire();//获取许可??
32. ????????????try?{??
33. ????????????????System.out.println("玩家："?+?name?+?"进入游戏");??
34. ????????????????Thread.sleep(new?Random().nextInt(10000));//模拟每位玩家游戏时长?10秒钟以内??
35. ????????????????System.out.println("玩家："?+?name?+?"离开游戏");??
36. ????????????}catch?(Exception?e){??
37. ????????????????//业务异常??
38. ????????????????e.printStackTrace();??
39. ????????????}finally?{??
40. ????????????????//释放许可，最好在finally中释放??
41. ????????????????semaphore.release();??
42. ????????????}??
43. ????????}?catch?(Exception?e)?{??
44. ????????????e.printStackTrace();??
45. ????????}??
46. ???
47. ????}??
48. }??
49. ???

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执行main方法，打印日志如下（日志比较长，省略了部分）：

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Java代码??

1. -------前10个玩家不需要排队时长为0，也就是不用排队----??
2. 玩家：1开始排队??
3. 玩家：1进入游戏??
4. ------省略其他8个??
5. 玩家：9开始排队??
6. 玩家：9进入游戏??
7. -----到这里10个许可用完，后面需要登陆的玩家需要排队??
8. 玩家：14开始排队??
9. 玩家：18开始排队??
10. 玩家：3开始排队??
11. 玩家：11开始排队??
12. 玩家：15开始排队??
13. 玩家：13开始排队??
14. 玩家：17开始排队??
15. 玩家：10开始排队??
16. 玩家：7开始排队??
17. 玩家：19开始排队??
18. ???
19. -------等到有玩家离开游戏，排队的玩家才能进入游戏??
20. ???
21. 玩家：9离开游戏??
22. 玩家：14进入游戏??
23. 玩家：8离开游戏??
24. 玩家：18进入游戏??
25. 玩家：0离开游戏??
26. 玩家：3进入游戏??
27. 玩家：6离开游戏??
28. 玩家：11进入游戏??
29. 玩家：1离开游戏??
30. 玩家：15进入游戏??
31. ----省略其他日志---??
32. ???

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可以发现前10个玩家可以直接获得“许可”，排队时间为0?登陆后直接进入游戏；后面加入的10个玩家开始排队，为了公平性这里使用了Semaphore的公平构造方法；待前10个玩家有人离开游戏后，排队的10个玩家依次进入游戏。基本用法讲解完毕，下面开始Semaphore实现原理分析：

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Semaphore实现原理

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前文已经提到Semaphore是基于AQS实现的，其核心内部类就是实现AQS的子类，在Semaphore中有包含了公平实现和非公平实现。前面示例中为了保证游戏的公平性，排队使用的公平队列。这里需要提一下的是“公平”固然是好事，但是会有性能损失，主要原因是：线程在排队阻塞和被唤醒时都有上下文切换开销；而非公平的的实现，在加入队列前先检查是否存在“许可”，如果有 直接获取，相对公平实现 减少部分开销。所以在不需要严格保证排队顺序的情况下，建议都使用非公平信号量。

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在Semaphore内部类实现AQS的过程中，为了保证部分方法复用首先定义了一个公共的实现类Sync，然后又分别创建了公平实现FairSync和非公平实现NonfairSync基础自Sync类。

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首先看Sync类的实现：

Java代码??

1. abstract?static?class?Sync?extends?AbstractQueuedSynchronizer?{??
2. ????private?static?final?long?serialVersionUID?=?1192457210091910933L;??
3. ???
4. ????Sync(int?permits)?{??
5. ????????//构造方法，用“许可”个数初始化AQS的State字段值??
6. ????????setState(permits);??
7. ????}??
8. ???
9. ????final?int?getPermits()?{??
10. ????????return?getState();??
11. ????}??
12. ???
13. ????//非公平?共享获取?“资源”方法，参数为尝试获取的“资源”个数??
14. ????final?int?nonfairTryAcquireShared(int?acquires)?{??
15. ????????for?(;;)?{??
16. ????????????int?available?=?getState();??
17. ????????????int?remaining?=?available?-?acquires;??
18. ???
19. ????????????if?(remaining?<?0?||??
20. ????????????????????//利用自旋，原子方式修改AQS的state值??
21. ????????????????????compareAndSetState(available,?remaining))??
22. ????????????????return?remaining;??
23. ????????}??
24. ????}??
25. ???
26. ????//共享方式?释放“资源”方法??
27. ????protected?final?boolean?tryReleaseShared(int?releases)?{??
28. ????????for?(;;)?{??
29. ????????????int?current?=?getState();??
30. ????????????int?next?=?current?+?releases;??
31. ????????????if?(next?<?current)?//?overflow??
32. ????????????????throw?new?Error("Maximum?permit?count?exceeded");??
33. ????????????if?(compareAndSetState(current,?next))??
34. ????????????????return?true;??
35. ????????}??
36. ????}??
37. ???
38. ????//动态调整“资源个数”??
39. ????final?void?reducePermits(int?reductions)?{??
40. ????????for?(;;)?{??
41. ????????????int?current?=?getState();??
42. ????????????int?next?=?current?-?reductions;??
43. ????????????if?(next?>?current)?//?underflow??
44. ????????????????throw?new?Error("Permit?count?underflow");??
45. ????????????if?(compareAndSetState(current,?next))??
46. ????????????????return;??
47. ????????}??
48. ????}??
49. ???
50. ????//动态清空?所有“许可”??
51. ????final?int?drainPermits()?{??
52. ????????for?(;;)?{??
53. ????????????int?current?=?getState();??
54. ????????????if?(current?==?0?||?compareAndSetState(current,?0))??
55. ????????????????return?current;??
56. ????????}??
57. ????}??
58. }??
59. ???

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主要方法实现都比较简单，结合给出的注释很好理解。下面接着来看非公平的实现NonfairSync，继承自上述讲的Sync类：

Java代码??

1. static?final?class?NonfairSync?extends?Sync?{??
2. ????????private?static?final?long?serialVersionUID?=?-2694183684443567898L;??
3. ???
4. ????????//构造方法，没有添加任何新操作??
5. ????????NonfairSync(int?permits)?{??
6. ????????????super(permits);??
7. ????????}??
8. ????????//获取资源方法，直接调用Sync定义的?非公平共享获取方法??
9. ????????protected?int?tryAcquireShared(int?acquires)?{??
10. ????????????return?nonfairTryAcquireShared(acquires);??
11. ????????}??
12. ????}??
13. ???

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最后看下公平的实现FairSync，同样继承自Sync类:

Java代码??

1. static?final?class?FairSync?extends?Sync?{??
2. ????????private?static?final?long?serialVersionUID?=?2014338818796000944L;??
3. ???
4. ????????FairSync(int?permits)?{??
5. ????????????super(permits);??
6. ????????}??
7. ????????protected?int?tryAcquireShared(int?acquires)?{??
8. ????????????for?(;;)?{??
9. ????????????????if?(hasQueuedPredecessors())??
10. ????????????????????return?-1;??
11. ????????????????int?available?=?getState();??
12. ????????????????int?remaining?=?available?-?acquires;??
13. ????????????????if?(remaining?<?0?||??
14. ????????????????????compareAndSetState(available,?remaining))??
15. ????????????????????return?remaining;??
16. ????????????}??
17. ????????}??
18. }??

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tryAcquireShared与非公平的实现区别不大，只多了一个hasQueuedPredecessors方法调用，该方法是AQS中定义的方法，主要作用就是判断当前线程是否是头节点或者队列为空，如果不是就进行排队。非公平的实现里如果尝试获取到“许可”，就无需加入队列排队了，这就是根本区别，Doug Lea大神只用了一行代码就实现这个区别，不可谓不巧妙。

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到这里Semaphore对AQS使用内部类实现讲解完毕，下面开始看下Semaphore的核心方法，这些方法就很简单了，基本都是对上述三个内部类的方法调用，这里只列出几个核心方法即可，其他方法可以自行查阅。

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Semaphore默认构造方法：

Java代码??

1. public?Semaphore(int?permits)?{??
2. ????????sync?=?new?NonfairSync(permits);??
3. }??

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可以看到默认是调用AQS的非公平实现，毕竟性能会好些。主要作用就是使用参数“permits”初始化AQS的state字段。

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Semaphore带公平或非公平参数构造方法：

Java代码??

1. public?Semaphore(int?permits,?boolean?fair)?{??
2. ????????sync?=?fair???new?FairSync(permits)?:?new?NonfairSync(permits);??
3. }??

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主要就是根据参数fair，判断是创建AQS的公平实现还是非公平实现。

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Semaphore的获取许可方法和释放许可方法：

Java代码??

1. public?void?acquire()?throws?InterruptedException?{??
2. ????????sync.acquireSharedInterruptibly(1);??
3. }??
4. ???
5. public?void?release()?{??
6. ????????sync.releaseShared(1);??
7. }??

可以看到Semaphore的获取许可方法，是调用的AQS的“共享可中断获取方法”acquireSharedInterruptibly，之后会再回调Semaphore中的tryAcquireShared方法。说明当线程在使用Semaphore时被阻塞，是可以手动被中断的。

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另外需要注意的是Semaphore的内部类对AQS的实现是采用的“共享”方式，因为如果有足够的多的“许可”被释放，可以同时唤醒多个线程，这时典型的共享锁的运用场景。

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总结

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简单的总结Semaphore，就是它可以用来控制同时访问某一资源的操作数量，或控制同时执行某个指定操作的数量。有点像限流的阀门，在有些场景下可以被固定的线程池代替，比如：Executors.newFixedThreadPool(xx)，但它可以比线程池的控制更加细粒度。另外Semaphore可以理解为一种共享的可中断锁。

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http://moon-walker.iteye.com/blog/2406557