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Java Semaphore信號(hào)量使用分析講解

 更新時(shí)間:2022年12月02日 10:37:11   作者:肥肥技術(shù)宅  
Semaphore實(shí)際上是一種共享鎖,因?yàn)樗试S多個(gè)線程并發(fā)獲取共享的資源,在Semaphore對(duì)象創(chuàng)建時(shí)必須設(shè)置可用令牌的初始數(shù)量permits,用于控制并發(fā)時(shí)同時(shí)獲取資源權(quán)限的線程數(shù)量,這篇文章主要介紹了Java中的Semaphore如何使用,需要的朋友可以參考下

前言

大家應(yīng)該都用過(guò)synchronized 關(guān)鍵字加鎖,用來(lái)保證某個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)線程運(yùn)行。那么如果控制某個(gè)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(hào)量Semaphore。

介紹和使用

Semaphore(信號(hào)量)可以用來(lái)限制能同時(shí)訪問(wèn)共享資源的線程上限,它內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)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(gè),就會(huì)阻塞獲取,直到有線程釋放許可

Semaphore是一個(gè)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(gè)線程獲取1個(gè)許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)減少一個(gè)
  • public void release():表示釋放1個(gè)許可,那么線程許可數(shù)量相應(yīng)會(huì)增加

其他API

  • void acquire(int permits):表示一個(gè)線程獲取n個(gè)許可,這個(gè)數(shù)量由參數(shù)permits決定
  • void release(int permits):表示一個(gè)線程釋放n個(gè)許可,這個(gè)數(shù)量由參數(shù)permits決定
  • int availablePermits():返回當(dāng)前信號(hào)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(duì)象
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        // 2. 10個(gè)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FairSyncNonfairSync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。

為了更好的搞懂原理,我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)幫助我們理解。

假設(shè)Semaphorepermits為 3,這時(shí) 5 個(gè)線程來(lái)獲取資源,其中Thread-1,Thread-2,Thread-4CAS 競(jìng)爭(zhēng)成功,permits 變?yōu)?0,而 Thread-0 Thread-3 競(jìng)爭(zhēng)失敗。

獲取許可acquire()

  • acquire()主方法會(huì)調(diào)用 sync.acquireSharedInterruptibly(1)方法
  • acquireSharedInterruptibly()方法會(huì)先調(diào)用tryAcquireShared()方法返回許可的數(shù)量,如果小于0個(gè),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(huì)調(diào)用到Sync#nonfairTryAcquireShared()方法
  • nonfairTryAcquireShared()方法中會(huì)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(huì)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(gè)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(huì)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(huì)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(gè)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-0Thread-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(guò)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(gè)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(lái)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(jìng)爭(zhēng),如果競(jìng)爭(zhēng)成功,如下圖所示:

  • 由于Thread-0競(jìng)爭(zhēng)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(hào)量類基于AQS的共享鎖實(shí)現(xiàn),有公平鎖和非公平鎖兩個(gè)版本,它用來(lái)限制能同時(shí)訪問(wèn)共享資源的線程上限,典型的應(yīng)用場(chǎng)景是可以用來(lái)保護(hù)有限的公共資源,比如數(shù)據(jù)庫(kù)連接等。

到此這篇關(guān)于Java Semaphore信號(hào)量使用分析講解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java Semaphore信號(hào)量?jī)?nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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