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java?Semaphore共享鎖實現(xiàn)原理解析

 更新時間:2023年01月09日 09:29:03   作者:小海編碼日記  
這篇文章主要為大家介紹了Semaphore共享鎖實現(xiàn)原理解析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步,早日升職加薪

正文

在線程間通信方式中,我們了解到可以使用Semaphore信號量來實現(xiàn)線程間通信,Semaphore支持公平鎖和非公平鎖,Semaphore底層是通過共享鎖來實現(xiàn)的,其支持兩種構造函數(shù),如下所示:

 // 默認使用非公平鎖實現(xiàn)
 public Semaphore(int permits) {
     sync = new NonfairSync(permits);
 }
 ?
 public Semaphore(int permits, boolean fair) {
     sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
 }

Semaphore提供的常用函數(shù)如下所示:

函數(shù)名說明備注
acquire獲取鎖/
release釋放鎖/

下面我們來看下Semaphore內(nèi)部的實現(xiàn)原理

Semaphore內(nèi)部類及繼承關系

可以看出Semaphore和ReentrantLock實現(xiàn)原理基本一致,包含NonfairSync和FairSync兩個內(nèi)部類,這兩個內(nèi)部類的父類均為AQS,不妨大膽猜測Semaphore也是依賴AQS實現(xiàn)的,接下來我們一起來看下Semaphore獲取和釋放鎖的流程。

Semaphore.acquire流程分析(以非公平鎖為例)

從上圖可以看出,針對阻塞線程的部分實現(xiàn),和ReentrantLock基本一致,我們不做贅述,主要來看下前半部分的源碼實現(xiàn):

 // Semaphore.java
 public void acquire() throws InterruptedException {
     sync.acquireSharedInterruptibly(1);
 }
 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
         throws InterruptedException {
     // 如果線程是中斷狀態(tài),拋出異常
     if (Thread.interrupted())
         throw new InterruptedException();
     // 嘗試獲取共享資源
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireSharedInterruptibly(arg);
 }

從源碼可以看出acquire主要依賴于tryAcquireShared和doAcquireSharedInterruptibly,接下來我們來分別看下這兩塊的代碼

tryAcquireShared

 // NonfairSync
 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
     return nonfairTryAcquireShared(acquires);
 }
 // Sync
 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
     for (;;) {
         int available = getState();
         int remaining = available - acquires;
         if (remaining < 0 ||
             compareAndSetState(available, remaining))
             return remaining;
     }
 }
 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
     // See below for intrinsics setup to support this
     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
 }

從代碼可以看出這里主要是根據(jù)申請的許可證數(shù)量,比較時否有許可證數(shù)量,如果可用許可證數(shù)量小于0,則直接返回,如果大于0,則通過CAS將state設置為可用許可證數(shù)量。

doAcquireSharedInterruptibly

當tryAcquireShared中返回的可用許可證數(shù)量小于0時,執(zhí)行doAcquireSharedInterruptibly流程,代碼如下:

 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 // 在隊尾新建Node對象并添加
 private Node addWaiter(Node mode) {
     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
     Node pred = tail;
     if (pred != null) {
         node.prev = pred;
         if (compareAndSetTail(pred, node)) {
             pred.next = node;
             return node;
         }
     }
     enq(node);
     return node;
 }
 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
     throws InterruptedException {
     // 將當前線程添加到等待隊列
     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
     boolean failed = true;
     try {
         // for循環(huán)自旋
         for (;;) {
             // 獲取node的前一個節(jié)點
             final Node p = node.predecessor();
             // 如果前一個節(jié)點是頭節(jié)點
             if (p == head) {
                 // 嘗試獲取鎖
                 int r = tryAcquireShared(arg);
                 if (r >= 0) {
                     // 獲取鎖成功,更新node信息設置為頭節(jié)點,并通知其他節(jié)點
                     setHeadAndPropagate(node, r);
                     p.next = null; // help GC
                     failed = false;
                     return;
                 }
             }
             // 判斷是否需要阻塞線程,設置waitStatus并阻塞
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 throw new InterruptedException();
         }
     } finally {
         if (failed)
             cancelAcquire(node);
     }
 }
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; // Record old head for check below
    setHead(node);
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

執(zhí)行setHeadAndPropagate的主要目的在于,這里能獲取到說明在該線程自旋過程中有線程釋放了許可證,釋放的許可證數(shù)量有可能還有剩余,所以傳遞給其他節(jié)點的線程,喚醒其他阻塞狀態(tài)的線程也嘗試去獲取許可證。

Semaphore.release流程分析(以非公平鎖為例)

Semaphore.release流程相對而言,就比較簡單,將release傳遞到AQS內(nèi)部通過CAS更新許可證數(shù)量信息,更新完成后,遍歷隊列中Node節(jié)點,將Node waitStatus設置為0,并對對應線程執(zhí)行unpark,相關代碼如下:

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // 通過CAS更新許可證數(shù)量
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}
// 許可證數(shù)量更新完成后,調(diào)用該方法喚醒線程
private void doReleaseShared() {
    // 自旋
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 喚醒后繼節(jié)點線程搶占許可證
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

綜上,我們分析了Smaphore非公平鎖的實現(xiàn),感興趣的可以分析下公平鎖的實現(xiàn),其本質(zhì)區(qū)別在于在tryAcquireShared中只有當?shù)却犃袨榭諘r,才會去嘗試更新剩余許可證數(shù)量。

以上就是Semaphore共享鎖實現(xiàn)原理解析的詳細內(nèi)容,更多關于Semaphore共享鎖的資料請關注腳本之家其它相關文章!

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