多线程进阶——JUC并发编程之Semaphore源码一探究竟🔥

1、学习切入点

百度翻译如下：

2、案例引入

public class SemaphoreDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 线程数量：停车位! 限流！
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        for (int i = 1; i <=6 ; i++) {
            new Thread(()->{
                // acquire() 得到
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到车位");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"离开车位");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    semaphore.release(); // release() 释放
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

3、入手构造函数

/** 创建具有给定许可数和非空公平设置的信号量 */
 public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
/** 创建具有给定许可数和给定公平性设置的信号量 */
 public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

上面两个构造函数，默认构造函数是非公平锁来实现，通过设置构造参数 fail 来选用公平策略还是非公平策略。

所谓公平和非公平的意思是：假设现在有一个线程A在等待获取锁，这时候又来了一个线程B，如果这个时候B 不考虑A的感受，也去申请锁，这显然是不公平的；反之，只要A 是先来的，B一定排在A  的后面，不能马上去申请锁，这就是公平策略。

4、入手核心方法

/** 尝试获取锁资源，获取到了则立即返回并跳出方法，没有获取到则该方法阻塞等待*/
public void acquire() throws InterruptedException {
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        //检测线程中断标志位
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //尝试获取共享资源锁，小于0表示获取失败，此方法由AQS的具体子类来实现
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            //将尝试获取锁资源的线程进行入队操作
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

/** 1、公平策略实现方式*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {//自旋操作
                if (hasQueuedPredecessors())//检测线程是否有阻塞队列，这里是和非公平策略唯一多个判断的地方
                    return -1;
                int available = getState();//获取锁资源的最新内存值
                int remaining = available - acquires;//计算得到剩下的许可数量
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))//CAS原子操作共享资源
                    return remaining;//上层根据这个返回值进行判断是否需要入队操作
            }
        }
/** 2、非公平策略实现方式*/
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {//自旋操作
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

4.1、【doAcquireSharedInterruptibly】获取共享资源失败进入这个方法

 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
        //创建共享模式节点
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {//自旋死循环操作
                final Node p = node.predecessor();//获取节点的前驱节点
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {//说明已经成功获取到共享资源了
                        setHeadAndPropagate(node, r);//把当前node节点设置为head节点
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&//根据前驱节点看看是否需要休息下
                    parkAndCheckInterrupt())//阻塞操作，正常情况下获取不到共享锁，代码就这这个方法stop了，until 被唤醒！
                  //被唤醒后，发现parkAndCheckInterrupt()里面检测了被中断了的话，则补上中断异常
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

这个方法的逻辑与独占模式下的逻辑差不多，当所有的坑都被占用的时候，在来的线程都会被封装成共享模式节点，添加到等待队列里面去。而共享模式是实现多个坑同时提供服务的核心。

再来看看坑释放的过程，从【release】方法进去，核心在【tryReleaseShared】方法

4.2、【release】方法释放坑源码分析

    public void release() {
        sync.releaseShared(1);//释放一个许可资源
    }
    //父类AQS的一个释放共享资源基类方法
    //releaseShared主要是进行共享资源的释放，如果成功释放共享资源的话，则唤醒等待队列中的节点，如果失败则返回false，由上层调用方决定如何处理！
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {//AQS子类实现，尝试释放共享资源
            doReleaseShared();//自旋操作，唤醒后继节点
            return true;
        }
        return false;
    }

/** 核心方法  NonfairSync 和 FairSync 的父类 Sync 类的 tryReleaseShared 方法  */
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {//自旋
                int current = getState();
                int next = current + releases;//对许可数量进行加法操作
                //int类型值小于0，是因为该int类型的state状态值溢出了，溢出的话，说明这个锁很难释放，可能出问题了
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;//返回成功标志，告诉上层该线程已经释放了共享资源
            }
        }

如果获取共享资源成功的话，会进入【doReleaseShared】这个方法

4.3、【doReleaseShared】源码分析

/** 主要是释放共享许可证，但是最重要的是保证唤醒后继节点的传递，来让这些线程释放他们所持有的信号量 */
private void doReleaseShared() {

        for (;;) {//自旋
            Node h = head;//每次都是取队列头结点
            if (h != null && h != tail) {//若头结点不为空且也不是队尾节点
                int ws = h.waitStatus;//那么就获取头结点的状态值
                if (ws == Node.SIGNAL) {//若头结点是SIGNAL状态则后继节点需要被唤醒了
                    //通过CAS尝试设置头结点的状态为空状态，失败的话，则继续loop，因为并发有可能其它地方也在进行释放操作
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);//唤醒头结点的后继节点
                }
                //如果头结点为空状态，则把其改为PROPAGATE状态，失败的话则可能是并发修改，再循环CAS
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            //若头结点没有发生变化，则说明上述设置以及完成，大功告成，功成身退
            //若发生变化，可能是操作过程中头结点有了新增或者啥的，那么必须重试，以保证唤醒动作可以延续传递
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

5、回顾总结

最后我们梳理下Semaphore 的流程的一些特性：

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