線程間的同步與通訊(8)——Semaphore源碼分析

時間  2019-11-09
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Semaphore（信號量）也是經常使用的併發工具之一，它經常用於流量控制。一般狀況下，公共的資源經常是有限的，例如數據庫的鏈接數。使用Semaphore能夠幫助咱們有效的管理這些有限資源的使用。數據庫

Semaphore的結構和ReentrantLock以及CountDownLatch很像，內部採用了公平鎖與非公平鎖兩種實現，若是你已經看過了ReentrantLock源碼分析 和 CountDownLatch源碼分析，弄懂它將絕不費力。segmentfault

核心屬性

與CountDownLatch相似，Semaphore主要是經過AQS的共享鎖機制實現的，所以它的核心屬性只有一個sync，它繼承自AQS：數組

private final Sync sync;
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    final int getPermits() {
        return getState();
    }

    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        //省略
    }

    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        //
    }

    final void reducePermits(int reductions) {
        //省略
    }

    final int drainPermits() {
        //省略
    }
}

這裏的permits和CountDownLatch的count很像，它們最終都將成爲AQS中的state屬性的初始值。併發

構造函數

Semaphore有兩個構造函數：框架

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

默認的構造函數使用的是非公平鎖，另外一個構造函數經過傳入的fair參數來決定使用公平鎖仍是非公平鎖，這一點和ReentrantLock用的是一樣的套路，都是一樣的代碼框架。函數

公平鎖和非公平鎖的定義以下：工具

static final class FairSync extends Sync {
    
   FairSync(int permits) {
        super(permits);
    }

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
}

static final class NonfairSync extends Sync {
    
   NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }

    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}

獲取信號量

獲取信號量的方法有4個：源碼分析

acquire方法 本質調用
acquire() sync.acquireSharedInterruptibly(1)
acquire(int permits) sync.acquireSharedInterruptibly(permits)
acquireUninterruptibly() sync.acquireShared(1)
acquireUninterruptibly(int permits) sync.acquireShared(permits);

可見，acquire()方法就至關於acquire(1)，acquireUninterruptibly同理，只不過一種響應中斷，一種不響應中斷，關於AQS的那四個方法咱們在前面的文章中都已經分析過了，除了其中的tryAcquireShared(arg)由子類實現外，其餘的都由AQS實現。ui

值得注意的是，在逐行分析AQS源碼(3)——共享鎖的獲取與釋放中咱們特別提到過tryAcquireShared返回值的含義：

  • 若是該值小於0，則表明當前線程獲取共享鎖失敗
  • 若是該值大於0，則表明當前線程獲取共享鎖成功，而且接下來其餘線程嘗試獲取共享鎖的行爲極可能成功
  • 若是該值等於0，則表明當前線程獲取共享鎖成功，可是接下來其餘線程嘗試獲取共享鎖的行爲會失敗

這裏的返回值其實表明的是剩餘的信號量的值，若是爲負值則說明信號量不夠了。

接下來咱們就看看子類對於tryAcquireShared(arg)方法的實現：

非公平鎖實現

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 || 
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

與通常的tryAcquire邏輯不一樣，Semaphore的tryAcquire邏輯是一個自旋操做，由於Semaphore是共享鎖，同一時刻可能有多個線程來修改這個值，因此咱們必須使用自旋 + CAS來避免線程衝突。

該方法退出的惟一條件是成功的修改了state值，並返回state的剩餘值。若是剩下的信號量不夠了，則就不須要進行CAS操做，直接返回剩餘值。因此其實tryAcquireShared返回的不是當前剩餘的信號量的值，而是若是扣去acquires以後，當前將要剩餘的信號量的值，若是這個「將要」剩餘的值比0小，則是不會發生扣除操做的。這就比如我要買10個包子，包子鋪如今只剩3個了，則將會返回剩餘3 - 10 = -7個包子，可是事實上包子店並無將包子賣出去，實際剩餘的包子仍是3個；此時若是有另外一我的來只要買1個包子，則將會返回剩餘3 - 1 = 2個包子，而且包子店會將一個包子賣出，實際剩餘的包子數也是2個。

非公平鎖的這種獲取信號量的邏輯其實和CountDownLatch的countDown方法很像：

// CountDownLatch
public void countDown() {
    sync.releaseShared(1);
}

在countDown()的releaseShared(1)方法中將調用tryReleaseShared：

// CountDownLatch
protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
    // Decrement count; signal when transition to zero
    for (;;) {
        int c = getState();
        if (c == 0)
            return false;
        int nextc = c-1;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

對比CountDownLatch的tryReleaseShared方法和Semaphore的tryAcquireShared方法可知，它們的核心邏輯都是減小state的值，只不過CountDownLatch借用了共享鎖的殼，對它而言，減小state的值是一種釋放共享鎖的行爲，由於它的目的是將state值降爲0；而在Semaphore中，減小state的值是一種獲取共享鎖的行爲，減小成功了，則獲取成功。

公平鎖實現

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

經過對比能夠看出，它和nonfairTryAcquireShared的惟一的差異在於：

if (hasQueuedPredecessors())
    return -1;

即在獲取共享鎖以前，先用hasQueuedPredecessors方法判斷有沒有人排在本身前面。關於hasQueuedPredecessors方法，咱們在前面的文章中已經分析過了，它就是判斷當前節點是否有前驅節點，有的話直接返回獲取失敗，由於要讓前驅節點先去獲取鎖。（畢竟公平鎖講究先來後到嘛）

釋放信號量

釋放信號量的方法有2個：

public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}
public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

可見，release() 至關於調用了 release(1)，它們最終都調用了tryReleaseShared(int releases)方法：

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");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

與獲取信號量的邏輯相反，釋放信號量的邏輯是將獲得的信號量再歸還回去，所以是增長state值的操做，代碼自己很容易理解，這裏再也不贅述。

工具方法

除了以上獲取和釋放信號量所用到的方法，Semaphore還定義了一些其餘方法來幫助咱們操做信號量：

tryAcquire

注意，這個tryAcquire不是給acquire方法使用的！！！咱們上面分析信號量的獲取時說過，獲取信號量的acquire方法調用的是AQS的acquireShared和acquireSharedInterruptibly ，而這兩個方法會調用子類的tryAcquireShared方法，子類必須實現這個方法。

而這裏的tryAcquire方法並無定義在AQS的子類中，即既不在NonfairSync，也不在FairSync中，對於使用共享鎖的AQS的子類，也不須要定義這個方法。事實上它直接定義在Semaphore中的。

因此，在看這個方法時，腦海中必定要有一個意識，雖然它和AQS的獨佔鎖的獲取邏輯中的tryAcquire重名了，但實際上它和AQS的獨佔鎖是沒有關係的，不要被它的名字繞暈了。

那麼，這個tryAcquire和tryAcquireShared方法有什麼不一樣呢？只要有兩點：

  1. 返回值不一樣：tryAcquire返回boolean類型，tryAcquireShared返回int
  2. tryAcquire必定是採用非公平鎖模式，而tryAcquireShared有公平和非公平兩種實現。

理清楚以上幾點以後，咱們再來看tryAcquire方法的源碼，它有四種重載形式：
兩種不帶超時機制的形式：

public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

兩種帶超時機制的形式：

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

其中，不帶超時機制的tryAcquire方法實際上調用的就是nonfairTryAcquireShared(int acquires)方法，它和非公平鎖的tryAcquireShared同樣，只是tryAcquireShared是直接return nonfairTryAcquireShared(acquires)，而tryAcquire是return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;，即直接返回獲取鎖的操做是否成功。

而帶超時機制的tryAcquire方法提供了一種超時等待的方式，這是前面介紹的公平鎖和非公平鎖的獲取鎖邏輯中所沒有的，它本質上調用了AQS的tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout)方法：

public final boolean tryAcquireSharedNanos(int arg, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    return tryAcquireShared(arg) >= 0 ||
        doAcquireSharedNanos(arg, nanosTimeout);
}

這個方法咱們在介紹CountDownLatch源碼分析的await(long timeout, TimeUnit unit)方法時已經分析過了，屬於老套路了，這裏就不展開了。

reducePermits

reducePermits方法用來減小信號量的總數，這在debug中是頗有用的，它與前面介紹的acquire方法的不一樣點在於，即便當前信號量的值不足，它也不會致使調用它的線程阻塞等待。只要須要減小的信號量的數量reductions大於0，操做最終就會成功，也就是說，即便當前的reductions大於現有的信號量的值也不要緊，因此該方法可能會致使剩餘信號量爲負值。

protected void reducePermits(int reduction) {
    if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.reducePermits(reduction);
}
final void reducePermits(int reductions) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current - reductions;
        if (next > current) // underflow
            throw new Error("Permit count underflow");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return;
    }
}

咱們將它和nonfairTryAcquireShared對比一下：

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

能夠看出，二者在CAS前的判斷條件並不相同，reducePermits只要剩餘值不比當前值大就能夠，而nonfairTryAcquireShared必需要保證剩餘值不小於0纔會執行CAS操做。

drainPermits

相比reducePermits，drainPermits就更簡單了，它直接將剩下的信號量一次性消耗光，而且返回所消耗的信號量，這個方法在debug中也是頗有用的：

public int drainPermits() {
    return sync.drainPermits();
}
final int drainPermits() {
    for (;;) {
        int current = getState();
        if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
            return current;
    }
}

實戰

以上咱們分析了信號量的源碼，接下來咱們來分析一下官方給的一個使用的例子：

class Pool {
    private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
    // 初始化一個信號量，設置爲公平鎖模式，總資源數爲100個
    private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

    public Object getItem() throws InterruptedException {
        // 獲取一個信號量
        available.acquire();
        return getNextAvailableItem();
    }

    public void putItem(Object x) {
        if (markAsUnused(x))
            available.release();
    }

    // Not a particularly efficient data structure; just for demo

    protected Object[] items = ...whatever kinds of items being managed
    protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE];

    protected synchronized Object getNextAvailableItem() {
        for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return items[i];
            }
        }
        return null; // not reached
    }

    protected 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;
    }

}

這個例子很簡單，咱們用items數組表明可用的資源，用used數組來標記已經使用的資源的，used[i]的值爲true，則表明items[i]這個資源已經被使用了。

(1) 獲取一個可用資源
咱們調用getItem()來獲取資源，在該方法中會先調用available.acquire()方法請求一個信號量，注意，這裏若是當前信號量數不夠時，是會阻塞等待的；當咱們成功地獲取了一個信號量以後，將會調用getNextAvailableItem方法，返回一個可用的資源。

(2) 釋放一個資源
咱們調用putItem(Object x)來釋放資源，在該方法中會先調用markAsUnused(Object item)將須要釋放的資源標記成可用狀態（即將used數組中對應的位置標記成false）, 若是釋放成功，咱們就調用available.release()來釋放一個信號量。

總結

Semaphore是一個有效的流量控制工具，它基於AQS共享鎖實現。咱們經常用它來控制對有限資源的訪問。每次使用資源前，先申請一個信號量，若是資源數不夠，就會阻塞等待；每次釋放資源後，就釋放一個信號量。

（完）

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