java?JUC信號量Semaphore原理及使用介紹
前言
大家應(yīng)該都用過synchronized
關(guān)鍵字加鎖,用來保證某個時(shí)刻只允許一個線程運(yùn)行。
那么如果控制某個時(shí)刻允許指定數(shù)量的線程執(zhí)行,有什么好的辦法呢? 答案就是JUC提供的信號量Semaphore
。
介紹和使用
Semaphore
(信號量)可以用來限制能同時(shí)訪問共享資源的線程上限,它內(nèi)部維護(hù)了一個許可的變量,也就是線程許可的數(shù)量Semaphore
的許可數(shù)量如果小于0個,就會阻塞獲取,直到有線程釋放許可Semaphore
是一個非重入鎖
API介紹
- 構(gòu)造方法
public Semaphore(int permits)
:permits
表示許可線程的數(shù)量public Semaphore(int permits, boolean fair)
:fair
表示公平性,如果設(shè)為true
,表示是公平,那么等待最久的線程先執(zhí)行
- 常用API
public void acquire()
:表示一個線程獲取1個許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)減少一個public void release()
:表示釋放1個許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)會增加
- 其他API
void acquire(int permits)
:表示一個線程獲取n個許可,這個數(shù)量由參數(shù)permits
決定void release(int permits)
:表示一個線程釋放n個許可,這個數(shù)量由參數(shù)permits
決定int availablePermits()
:返回當(dāng)前信號量線程許可數(shù)量int getQueueLength()
: 返回等待獲取許可的線程數(shù)的預(yù)估值
基本使用
public static void main(String[] args) { // 1. 創(chuàng)建 semaphore 對象 Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 2. 10個線程同時(shí)運(yùn)行 for (int i = 0; i < 8; i++) { new Thread(() -> { // 3. 獲取許可 try { semaphore.acquire(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } try { log.debug("running..."); sleep(1); log.debug("end..."); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { // 4. 釋放許可 semaphore.release(); } }).start(); } }
運(yùn)行結(jié)果:
原理介紹
上面是Semaphore
的類結(jié)構(gòu)圖,其中FairSync
和NonfairSync
是它的內(nèi)部類,他們共同繼承了AQS類,AQS的共享模式提供了Semaphore
的加鎖、解鎖。
如果對AQS不了解的請移步深入淺出理解Java并發(fā)AQS的共享鎖模式
為了更好的搞懂原理,我們通過一個例子來幫助我們理解。
假設(shè)Semaphore
的 permits
為 3,這時(shí) 5 個線程來獲取資源,其中Thread-1
,Thread-2
,Thread-4
CAS 競爭成功,permits
變?yōu)?0,而 Thread-0
和 Thread-3
競爭失敗。
獲取許可acquire()
acquire()
主方法會調(diào)用sync.acquireSharedInterruptibly(1)
方法acquireSharedInterruptibly()
方法會先調(diào)用tryAcquireShared()
方法返回許可的數(shù)量,如果小于0個,調(diào)用doAcquireSharedInterruptibly()
方法進(jìn)入阻塞
// acquire() -> sync.acquireSharedInterruptibly(1),可中斷 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 嘗試獲取通行證,獲取成功返回 >= 0的值 if (tryAcquireShared(arg) < 0) // 獲取許可證失敗,進(jìn)入阻塞 doAcquireSharedInterruptibly(arg); }
tryAcquireShared()
方法在終會調(diào)用到Sync#nonfairTryAcquireShared()
方法nonfairTryAcquireShared()
方法中會減去獲取的許可數(shù)量,返回剩余的許可數(shù)量
// tryAcquireShared() -> nonfairTryAcquireShared() // 非公平,公平鎖會在循環(huán)內(nèi) hasQueuedPredecessors()方法判斷阻塞隊(duì)列是否有臨頭節(jié)點(diǎn)(第二個節(jié)點(diǎn)) final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 獲取 state ,state 這里【表示通行證】 int available = getState(); // 計(jì)算當(dāng)前線程獲取通行證完成之后,通行證還剩余數(shù)量 int remaining = available - acquires; // 如果許可已經(jīng)用完, 返回負(fù)數(shù), 表示獲取失敗, if (remaining < 0 || // 許可證足夠分配的,如果 cas 重試成功, 返回正數(shù), 表示獲取成功 compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }
- 如果剩余的許可數(shù)量<0, 會調(diào)用
doAcquireSharedInterruptibly()
方法將當(dāng)前線程加入到阻塞隊(duì)列中阻塞 - 方法中調(diào)用
parkAndCheckInterrupt()
阻塞當(dāng)前線程
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) { // 將調(diào)用 Semaphore.aquire 方法的線程,包裝成 node 加入到 AQS 的阻塞隊(duì)列中 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); // 獲取標(biāo)記 boolean failed = true; try { for (;;) { final Node p = node.predecessor(); // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)是頭節(jié)點(diǎn)可以再次獲取許可 if (p == head) { // 再次嘗試獲取許可,【返回剩余的許可證數(shù)量】 int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { // 成功后本線程出隊(duì)(AQS), 所在 Node設(shè)置為 head // r 表示【可用資源數(shù)】, 為 0 則不會繼續(xù)傳播 setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC failed = false; return; } } // 不成功, 設(shè)置上一個節(jié)點(diǎn) waitStatus = Node.SIGNAL, 下輪進(jìn)入 park 阻塞 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) throw new InterruptedException(); } } finally { // 被打斷后進(jìn)入該邏輯 if (failed) cancelAcquire(node); } }
最終的AQS狀態(tài)如下圖所示:
Thread-1
、Thread-2
、Thread-4
正常運(yùn)行- AQS的
state
也就是等于0 Thread-0
、Thread-3
再阻塞隊(duì)列中
釋放許可release()
現(xiàn)在Thread-4
運(yùn)行完畢,要釋放許可,Thread-0
、Thread-3
又是如何恢復(fù)執(zhí)行的呢?
- 調(diào)用
release()
方法釋放許可,最終調(diào)用Sync#releaseShared()
方法 - 如果方法
tryReleaseShared(arg)
嘗試釋放許可成功,那么調(diào)用doReleaseShared();
進(jìn)行喚醒
// release() -> releaseShared() public final boolean releaseShared(int arg) { // 嘗試釋放鎖 if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false; }
tryReleaseShared()
方法主要是嘗試釋放許可- 獲取當(dāng)前許可數(shù)量 + 釋放的數(shù)量,然后通過cas設(shè)置回去
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 獲取當(dāng)前鎖資源的可用許可證數(shù)量 int current = getState(); int next = current + releases; // 索引越界判斷 if (next < current) throw new Error("Maximum permit count exceeded"); // 釋放鎖 if (compareAndSetState(current, next)) return true; } }
- 調(diào)用
doReleaseShared()
方法喚醒隊(duì)列中的線程 - 其中
unparkSuccessor()
方法是喚醒的核心操作
// 喚醒 private void doReleaseShared() { // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一個節(jié)點(diǎn) 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 被多次執(zhí)行 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // 喚醒后繼節(jié)點(diǎn) unparkSuccessor(h); } // 如果已經(jīng)是 0 了,改為 -3,用來解決傳播性 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; } if (h == head) break; } }
最終AQS狀態(tài)如下圖所示:
- 許可state變回1
- 然后
Thread-0
開始競爭,如果競爭成功,如下圖所示:
- 由于Thread-0競爭成功,再次獲取到許可,許可數(shù)量減1,最終又變回0
- 然后等待隊(duì)列中剩余
Thread-3
總結(jié)
Semaphore
信號量類基于AQS的共享鎖實(shí)現(xiàn),有公平鎖和非公平鎖兩個版本,它用來限制能同時(shí)訪問共享資源的線程上限,典型的應(yīng)用場景是可以用來保護(hù)有限的公共資源,比如數(shù)據(jù)庫連接等。
以上就是java JUC信號量Semaphore原理及使用介紹的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于java JUC信號量Semaphore的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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