AQS源码探究_09 Semaphore源码分析

清疚 2023-01-19 13:49 220阅读 0赞

*  文章参考：[小刘老师讲源码][Link 1]

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## 1、简介 ##

*  Semaphore，信号量，它保存了一系列的许可（permits），每次调用`acquire()`都将消耗一个许可，每次调用`release()`都将归还一个许可。
 *  Semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上，也就是常说的限流。
 *  Semaphore信号量，获取通行证流程图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzU5MTk4MA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 2、入门案例 ##

### 案例1：Pool.java ###

/** * date: 2021/5/10 * @author csp */
    public class Pool { 
        /** * 可同时访问资源的最大线程数 */
        private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
        
        /** * 信号量 表示：可获取的对象通行证 */
        private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);
        
        /** * 共享资源，可以想象成 items 数组内存储的都是Connection对象 模拟是连接池 */
        protected Object[] items = new Object[MAX_AVAILABLE];
        
        /** * 共享资源占用情况，与items数组一一对应，比如： * items[0]对象被外部线程占用，那么 used[0] == true，否则used[0] == false */
        protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];
    
        /** * 获取一个空闲对象 * 如果当前池中无空闲对象，则等待..直到有空闲对象为止 */
        public Object getItem() throws InterruptedException { 
            // 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
            available.acquire();
            return getNextAvailableItem();
        }
    
        /** * 归还对象到池中 */
        public void putItem(Object x) { 
            if (markAsUnused(x))
                available.release();
        }
    
        /** * 获取池内一个空闲对象，获取成功则返回Object，失败返回Null * 成功后将对应的 used[i] = true */
        private synchronized Object getNextAvailableItem() { 
            for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) { 
                if (!used[i]) { 
                    used[i] = true;
                    return items[i];
                }
            }
            return null;
        }
    
        /** * 归还对象到池中，归还成功返回true * 归还失败： * 1.池中不存在该对象引用，返回false * 2.池中存在该对象引用，但该对象目前状态为空闲状态，也返回false */
        private synchronized boolean markAsUnused(Object item) { 
            for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) { 
                if (item == items[i]) { 
                    if (used[i]) { 
                        used[i] = false;
                        return true;
                    } else
                        return false;
                }
            }
            return false;
        }
    }

### 案例2：SemaphoreTest02.java ###

/** * date: 2020/5/10 * @author csp */
    public class SemaphoreTest02 { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            // 声明信号量，初始的许可（permits）为2
            // 公平模式：fair为true
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(2, true);
    
            Thread tA = new Thread(() ->{ 
                try { 
                    // 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("线程A获取通行证成功");
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) { 
                }finally { 
                    // 每次调用release()都将归还一个许可（permits）
                    semaphore.release();
                }
            });
            tA.start();
            // 确保线程A已经执行
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
    
            Thread tB = new Thread(() ->{ 
                try { 
                    // 调用acquire(2)都将消耗2个许可（permits）
                    semaphore.acquire(2);
                    System.out.println("线程B获取通行证成功");
                } catch (InterruptedException e) { 
                }finally { 
                    // 调用release(2)都将归还2个许可（permits）
                    semaphore.release(2);
                }
            });
            tB.start();
            // 确保线程B已经执行
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
    
            Thread tC = new Thread(() ->{ 
                try { 
                    // 每次调用acquire()都将消耗一个许可（permits）
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("线程C获取通行证成功");
                } catch (InterruptedException e) { 
                }finally { 
                    // 每次调用release()都将归还一个许可（permits）
                    semaphore.release();
                }
            });
            tC.start();
        }
    }

执行结果：

线程A获取通行证成功
    线程B获取通行证成功
    线程C获取通行证成功

## 3、源码分析 ##

### 内部类Sync ###

*  通过Sync的几个实现方法，我们获取到以下几点信息：
    
     *  许可是在构造方法时传入的；
     *  许可存放在状态变量state中；
     *  尝试获取一个许可的时候，则state的值减1；
     *  当state的值为0的时候，则无法再获取许可；
     *  释放一个许可的时候，则state的值加1；
     *  许可的个数可以动态改变；

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 
        private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
    
        // 构造方法，传入许可次数，放入state中
        Sync(int permits) { 
            setState(permits);
        }
    
        // 获取许可次数
        final int getPermits() { 
            return getState();
        }
    
    	// 非公平模式尝试获取许可
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { 
            for (;;) { 
                // 先看看还有几个许可
                int available = getState();
                // 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可
                int remaining = available - acquires;
                // 如果剩余许可小于0了则直接返回
                // 如果剩余许可不小于0，则尝试原子更新state的值，成功了返回剩余许可
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    
        // 释放许可
        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { 
            for (;;) { 
                // 先看看还有几个许可
                int current = getState();
                // 加上这次释放的许可
                int next = current + releases;
                // 检测溢出
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                // 如果原子更新state的值成功，就说明释放许可成功，则返回true
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }
    
    	// 减少许可
        final void reducePermits(int reductions) { 
            for (;;) { 
                // 先看看还有几个许可
                int current = getState();
                // 减去将要减少的许可
                int next = current - reductions;
                // 检测溢出
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                // 原子更新state的值，成功了返回true
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }
        
    	// 销毁许可
        final int drainPermits() { 
            for (;;) { 
                // 先看看还有几个许可
                int current = getState();
                // 如果为0，直接返回
    			// 如果不为0，把state原子更新为0
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }
    }

### 内部类NonfairSync ###

非公平模式下，直接调用父类的`nonfairTryAcquireShared()`尝试获取许可。

static final class NonfairSync extends Sync { 
        private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
    	
    	// 构造方法，调用父类的构造方法
        NonfairSync(int permits) { 
            super(permits);
        }
    	// 尝试获取许可，调用父类的nonfairTryAcquireShared()方法
        protected int tryAcquireShared(int acquires) { 
            return nonfairTryAcquireShared(acquires);
        }
    }

### 内部类FairSync ###

公平模式下，先检测前面是否有排队的，如果有排队的则获取许可失败，进入队列排队，否则尝试原子更新state的值。

\*\*注意：\*\*为了阅读方便，该内部类中将一些AQS中的方法粘贴过来了，在方法头注释加有标注！

static final class FairSync extends Sync { 
        private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
    
        FairSync(int permits) { 
            super(permits);
        }
    
        /** * 该方法位于AQS中： * 尝试获取通行证，获取成功返回 >= 0的值; * 获取失败 返回 < 0 值 */
        protected int tryAcquireShared(int acquires) { 
            for (;;) { 
                // 判断当前 AQS 阻塞队列内 是否有等待者线程，如果有直接返回-1，表示当前aquire操作的线程需要进入到队列等待..
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                // 执行到这里，有哪几种情况？
                // 1.调用aquire时 AQS阻塞队列内没有其它等待者
                // 2.当前节点 在阻塞队列内是headNext节点
    
                // 获取state ，state这里表示 通行证
                int available = getState();
                // remaining 表示当前线程 获取通行证完成之后，semaphore还剩余数量
                int remaining = available - acquires;
    
                // 条件一：remaining < 0 成立，说明线程获取通行证失败..
                // 条件二：前置条件，remaning >= 0, CAS更新state 成功，说明线程获取通行证成功，CAS失败，则自旋。
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }
    
        /** * 该方法位于AQS中： */
        public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
                throws InterruptedException { 
            // 条件成立：说明当前调用acquire方法的线程 已经是 中断状态了,直接抛出异常..
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
    
            // 对应业务层面 执行任务的线程已经将latch打破了。然后其他再调用latch.await的线程，就不会在这里阻塞了
            if (tryAcquireShared(arg) < 0)
                doAcquireSharedInterruptibly(arg);
        }
    
        /** * 该方法位于AQS中： */
        private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
                throws InterruptedException { 
            // 将调用Semaphore.aquire方法的线程 包装成node加入到 AQS的阻塞队列当中。
            final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
            boolean failed = true;
            try { 
                for (;;) { 
                    // 获取当前线程节点的前驱节点
                    final Node p = node.predecessor();
                    // 条件成立，说明当前线程对应的节点 为 head.next节点
                    if (p == head) { 
                        // head.next节点就有权利获取 共享锁了..
                        int r = tryAcquireShared(arg);
    
    
                        // 站在Semaphore角度：r 表示还剩余的通行证数量
                        if (r >= 0) { 
                            setHeadAndPropagate(node, r);
                            p.next = null; // help GC
                            failed = false;
                            return;
                        }
                    }
                    // shouldParkAfterFailedAcquire 会给当前线程找一个好爸爸，最终给爸爸节点设置状态为 signal（-1），返回true
                    // parkAndCheckInterrupt 挂起当前节点对应的线程...
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                            parkAndCheckInterrupt())
                        throw new InterruptedException();
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }
    
    
        /** * 该方法位于AQS中： * 设置当前节点为 head节点，并且向后传播！（依次唤醒！） */
        private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { 
            Node h = head; // Record old head for check below
            // 将当前节点设置为 新的 head节点。
            setHead(node);
            // 调用setHeadAndPropagete 时 propagate == 1 一定成立
            if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
                    (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { 
                // 获取当前节点的后继节点..
                Node s = node.next;
                // 条件一：s == null 什么时候成立呢？ 当前node节点已经是 tail了，条件一会成立。 doReleaseShared() 里面会处理这种情况..
                // 条件二：前置条件，s != null ， 要求s节点的模式必须是 共享模式。 latch.await() -> addWaiter(Node.SHARED)
                if (s == null || s.isShared())
                    // 基本上所有情况都会执行到 doReleasseShared() 方法。
                    doReleaseShared();
            }
        }
    
        //AQS.releaseShared 该方法位于AQS中：
        public final boolean releaseShared(int arg) { 
            // 条件成立：表示当前线程释放资源成功，释放资源成功后，去唤醒获取资源失败的线程..
            if (tryReleaseShared(arg)) { 
                // 唤醒获取资源失败的线程...
                doReleaseShared();
                return true;
            }
            return false;
        }
    
        /** * 唤醒获取资源失败的线程 * * CountDownLatch版本 * 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢？ * 1.latch.countDown() -> AQS.state == 0 -> doReleaseShared() 唤醒当前阻塞队列内的 head.next 对应的线程。 * 2.被唤醒的线程 -> doAcquireSharedInterruptibly parkAndCheckInterrupt() 唤醒 -> setHeadAndPropagate() -> doReleaseShared() * * Semaphore版本 * 都有哪几种路径会调用到doReleaseShared方法呢？ * */
        //AQS.doReleaseShared 该方法位于AQS中：
        private void doReleaseShared() { 
            for (;;) { 
                // 获取当前AQS 内的 头结点
                Node h = head;
                // 条件一：h != null 成立，说明阻塞队列不为空..
                // 不成立：h == null 什么时候会是这样呢？
                // latch创建出来后，没有任何线程调用过 await() 方法之前，有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..
    
                // 条件二：h != tail 成立，说明当前阻塞队列内，除了head节点以外 还有其他节点。
                // h == tail -> head 和 tail 指向的是同一个node对象。 什么时候会有这种情况呢？
                // 1. 正常唤醒情况下，依次获取到 共享锁，当前线程执行到这里时 （这个线程就是 tail 节点。）
                // 2. 第一个调用await()方法的线程 与 调用countDown()且触发唤醒阻塞节点的线程 出现并发了..
                // 因为await()线程是第一个调用 latch.await()的线程，此时队列内什么也没有，它需要补充创建一个Head节点，然后再次自旋时入队
                // 在await()线程入队完成之前，假设当前队列内 只有 刚刚补充创建的空元素 head 。
                // 同期，外部有一个调用countDown()的线程，将state 值从1，修改为0了，那么这个线程需要做 唤醒 阻塞队列内元素的逻辑..
                // 注意：调用await()的线程 因为完全入队完成之后，再次回到上层方法 doAcquireSharedInterruptibly 会进入到自旋中，
                // 获取当前元素的前驱，判断自己是head.next， 所以接下来该线程又会将自己设置为 head，然后该线程就从await()方法返回了...
                if (h != null && h != tail) { 
                    // 执行到if里面，说明当前head 一定有 后继节点!
    
                    int ws = h.waitStatus;
                    // 当前head状态 为 signal 说明 后继节点并没有被唤醒过呢...
                    if (ws == Node.SIGNAL) { 
                        // 唤醒后继节点前 将head节点的状态改为 0
                        // 这里为什么，使用CAS呢？ 回头说...
                        // 当doReleaseShared方法 存在多个线程 唤醒 head.next 逻辑时，
                        // CAS 可能会失败...
                        // 案例：
                        // t3 线程在if(h == head) 返回false时，t3 会继续自旋. 参与到 唤醒下一个head.next的逻辑..
                        // t3 此时执行到 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 成功.. t4 在t3修改成功之前，也进入到 if (ws == Node.SIGNAL) 里面了，
                        // 但是t4 修改 CAS WaitStatus(h,Node.SIGNAL, 0) 会失败，因为 t3 改过了...
                        if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                            continue;            // loop to recheck cases
                        // 唤醒后继节点
                        unparkSuccessor(h);
                    }
    
                    else if (ws == 0 &&
                            !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                        continue;                // loop on failed CAS
                }
    
                // 条件成立：
                // 1.说明刚刚唤醒的 后继节点，还没执行到 setHeadAndPropagate方法里面的 设置当前唤醒节点为head的逻辑。
                // 这个时候，当前线程 直接跳出去...结束了..
                // 此时用不用担心，唤醒逻辑 在这里断掉呢？、
                // 不需要担心，因为被唤醒的线程 早晚会执行到doReleaseShared方法。
    
                // 2.h == null latch创建出来后，没有任何线程调用过 await() 方法之前，
                // 有线程调用latch.countDown()操作 且触发了 唤醒阻塞节点的逻辑..
                // 3.h == tail -> head 和 tail 指向的是同一个node对象
    
                // 条件不成立：
                // 被唤醒的节点 非常积极，直接将自己设置为了新的head，此时 唤醒它的节点（前驱），执行h == head 条件会不成立..
                // 此时 head节点的前驱，不会跳出 doReleaseShared 方法，会继续唤醒 新head 节点的后继...
                if (h == head)                   // loop if head changed
                    break;
            }
        }
    }

### 构造方法 ###

创建Semaphore时需要传入许可次数。Semaphore默认也是非公平模式，但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。

// 构造方法，创建时要传入许可次数，默认使用非公平模式
    public Semaphore(int permits) { 
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    
    // 构造方法，需要传入许可次数，及是否公平模式
    public Semaphore(int permits, boolean fair) { 
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

### acquire()方法 ###

获取一个许可，默认使用的是可中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。

public void acquire() throws InterruptedException { 
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
    
    // 获取一个许可，非中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。
    public void acquireUninterruptibly() { 
         sync.acquireShared(1);
    }

### acquire(int permits)方法 ###

一次获取多个许可，可中断方式。

public void acquire(int permits) throws InterruptedException { 
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
    }
    
    // 一次获取多个许可，非中断方式。
    public void acquireUninterruptibly(int permits) { 
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.acquireShared(permits);
    }

### tryAcquire()方法 ###

尝试获取一个许可，使用Sync的非公平模式尝试获取许可方法，不论是否获取到许可都返回，只尝试一次，不会进入队列排队。

public boolean tryAcquire() { 
        return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
    }
    
    // 尝试获取一个许可，先尝试一次获取许可，如果失败则会等待timeout时间，这段时间内都没有获取到许可，则返回false，否则返回true；
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException { 
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }

### release()方法 ###

释放一个许可，释放一个许可时state的值会加1，并且会唤醒下一个等待获取许可的线程。

public void release() { 
        sync.releaseShared(1);
    }

### release(int permits)方法 ###

一次释放多个许可，state的值会相应增加permits的数量。

public void release(int permits) { 
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        sync.releaseShared(permits);
    }

## 4、小结 ##

*  Semaphore，也叫信号量，通常用于控制同一时刻对共享资源的访问上，也就是限流场景；
 *  Semaphore的内部实现是基于AQS的共享锁来实现的；
 *  Semaphore初始化的时候需要指定许可的次数，许可的次数是存储在state中；
 *  获取一个许可时，则state值减1；
 *  释放一个许可时，则state值加1；

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