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前言
大家应该都用过synchronized 关键字加锁，用来保证某个时刻只允许一个线程运行。那么如果控制某个时刻允许指定数量的线程执行，有什么好的办法呢? 答案就是JUC提供的信号量Semaphore。
介绍和使用
Semaphore（信号量）可以用来限制能同时访问共享资源的线程上限，它内部维护了一个许可的变量，也就是线程许可的数量
Semaphore的许可数量如果小于0个，就会阻塞获取，直到有线程释放许可
Semaphore是一个非重入锁
API介绍
- 构造方法
public Semaphore(int permits)：permits 表示许可线程的数量
public Semaphore(int permits, boolean fair)：fair 表示公平性，如果设为 true，表示是公平，那么等待最久的线程先执行
- 常用API
public void acquire()：表示一个线程获取1个许可，那么线程许可数量相应减少一个
public void release()：表示释放1个许可，那么线程许可数量相应会增加
- 其他API
void acquire(int permits)：表示一个线程获取n个许可，这个数量由参数permits决定
void release(int permits)：表示一个线程释放n个许可，这个数量由参数permits决定
int availablePermits()：返回当前信号量线程许可数量
int getQueueLength(): 返回等待获取许可的线程数的预估值
基本使用
public static void main(String[] args) {
// 1. 创建 semaphore 对象
Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
// 2. 10个线程同时运行
for (int i = 0; i < 8; i++) {
new Thread(() -> {
// 3. 获取许可
try {
semaphore.acquire();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
log.debug("running...");
sleep(1);
log.debug("end...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 4. 释放许可
semaphore.release();
}
}).start();
}
}
运行结果：
原理介绍
上面是Semaphore的类结构图，其中FairSync和NonfairSync是它的内部类，他们共同继承了AQS类，AQS的共享模式提供了Semaphore的加锁、解锁。
如果对AQS不了解的请移步深入浅出理解Java并发AQS的共享锁模式
为了更好的搞懂原理，我们通过一个例子来帮助我们理解。
假设Semaphore 的 permits为 3，这时 5 个线程来获取资源，其中Thread-1，Thread-2，Thread-4CAS 竞争成功，permits 变为 0，而 Thread-0 和 Thread-3 竞争失败。
获取许可acquire()
acquire()主方法会调用 sync.acquireSharedInterruptibly(1)方法
acquireSharedInterruptibly()方法会先调用tryAcquireShared()方法返回许可的数量，如果小于0个，调用doAcquireSharedInterruptibly()方法进入阻塞
// acquire() -> sync.acquireSharedInterruptibly(1)，可中断
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 尝试获取通行证，获取成功返回 >= 0的值
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
// 获取许可证失败，进入阻塞
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
tryAcquireShared()方法在终会调用到Sync#nonfairTryAcquireShared()方法
nonfairTryAcquireShared()方法中会减去获取的许可数量，返回剩余的许可数量
// tryAcquireShared() -> nonfairTryAcquireShared()
// 非公平，公平锁会在循环内 hasQueuedPredecessors()方法判断阻塞队列是否有临头节点(第二个节点)
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 获取 state ，state 这里【表示通行证】
int available = getState();
// 计算当前线程获取通行证完成之后，通行证还剩余数量
int remaining = available - acquires;
// 如果许可已经用完, 返回负数, 表示获取失败,
if (remaining < 0 ||
// 许可证足够分配的，如果 cas 重试成功, 返回正数, 表示获取成功
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
如果剩余的许可数量<0， 会调用doAcquireSharedInterruptibly()方法将当前线程加入到阻塞队列中阻塞
方法中调用parkAndCheckInterrupt()阻塞当前线程
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) {
// 将调用 Semaphore.aquire 方法的线程，包装成 node 加入到 AQS 的阻塞队列中
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
// 获取标记
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
// 前驱节点是头节点可以再次获取许可
if (p == head) {
// 再次尝试获取许可，【返回剩余的许可证数量】
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
// r 表示【可用资源数】, 为 0 则不会继续传播
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
// 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
// 被打断后进入该逻辑
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
最终的AQS状态如下图所示：
Thread-1、Thread-2、Thread-4正常运行
AQS的state也就是等于0
Thread-0、Thread-3再阻塞队列中
释放许可release()
现在Thread-4运行完毕，要释放许可，Thread-0、Thread-3又是如何恢复执行的呢？
调用release()方法释放许可，最终调用 Sync#releaseShared()方法
如果方法tryReleaseShared(arg)尝试释放许可成功，那么调用doReleaseShared();进行唤醒
// release() -> releaseShared()
public final boolean releaseShared(int arg) {
// 尝试释放锁
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
tryReleaseShared()方法主要是尝试释放许可
获取当前许可数量 + 释放的数量，然后通过cas设置回去
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 获取当前锁资源的可用许可证数量
int current = getState();
int next = current + releases;
// 索引越界判断
if (next < current)
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// 释放锁
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
调用doReleaseShared()方法唤醒队列中的线程
其中unparkSuccessor()方法是唤醒的核心操作
// 唤醒
private void doReleaseShared() {
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 防止 unparkSuccessor 被多次执行
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 唤醒后继节点
unparkSuccessor(h);
}
// 如果已经是 0 了，改为 -3，用来解决传播性
else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}
最终AQS状态如下图所示：
许可state变回1
然后Thread-0开始竞争，如果竞争成功，如下图所示：
由于Thread-0竞争成功，再次获取到许可，许可数量减1，最终又变回0
然后等待队列中剩余Thread-3
总结
Semaphore信号量类基于AQS的共享锁实现，有公平锁和非公平锁两个版本，它用来限制能同时访问共享资源的线程上限，典型的应用场景是可以用来保护有限的公共资源，比如数据库连接等。
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