聊聊Semaphore 信号量源码分析

本文转载自微信公众号「运维开发故事」，聊聊作者老郑。号量转载本文请联系运维开发故事公众号。源码

概述

Semaphore 信号量，分析 信号量维护了一组许可。聊聊如果有必要每个采集模块都会阻塞，号量直到有许可可用。源码然后获取许可证。分析每次发布都会添加一个许可证，聊聊可能会释放一个阻塞资源。号量但是源码，没有使用实际的分析许可对象;信号量可用数量的计数，并且进行操作。聊聊 信号量通常可以用于限制访问某些(物理或者逻辑)资源的号量线程数。例如下面是源码一个使用信号量控制对线程池访问。

class Pool {    private static final int MAX_AVAILABLE = 100;   private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);   public Object getItem() throws InterruptedException {      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;   } } 

在获取项目之前，每个线程必须从信号量获取一个许可证，以确保项目可用。当线程处理完该项后，它将返回到池中，并向信号量返回一个许可证，允许另一个线程获取该项。请注意，在调用acquire时不会保持同步锁，因为这会阻止项目返回池。信号量封装了限制对池的访问所需的同步，与维护池本身一致性所需的源码下载任何同步分开。

初始化为1的信号量，其使用方式是最多只有一个可用的许可证，可以用作互斥锁。这通常被称为二进制信号量，因为它只有两个状态：一个许可证可用，或者零个许可证可用。以这种方式使用时，二进制信号量的属性(与许多java.util.concurrent.locks.Lock实现不同)是“锁”可以由所有者以外的线程释放(因为信号量没有所有权的概念)。这在某些特定的上下文中非常有用，例如死锁恢复。

此类的构造函数可以选择接受公平性参数。当设置为false时，此类不保证线程获取许可的顺序。特别是，允许bargging，也就是说，调用acquire的线程可以在一直在等待的线程之前分配一个许可证-从逻辑上讲，新线程将自己置于等待线程队列的网站模板头部。当公平性设置为true时，信号量保证选择调用任何acquire方法的线程，以按照其调用这些方法的处理顺序(先进先出;先进先出)。请注意，FIFO排序必然适用于这些方法中的特定内部执行点。因此，一个线程可以在另一个线程之前调用acquire，但在另一个线程之后到达排序点，类似地，从方法返回时也是如此。还请注意，untimed tryAcquire方法不支持公平性设置，但将接受任何可用的许可。

通常，用于控制资源访问的信号量应该初始化为公平，以确保没有线程因访问资源而耗尽。当将信号量用于其他类型的同步控制时，非公平排序的吞吐量优势往往超过公平性考虑。

此类还提供了方便的方法，可以一次获取和发布多个许可证。当使用这些方法时，如果没有将公平设置为真，则要小心无限期延迟的云服务器风险增加。

内存一致性影响：在调用“release”方法(如release())之前的线程中的操作发生在另一个线程中成功的“acquire”方法(如acquire()之后的操作)之前。

原理分析

Semaphore 信号量，是控制并发的有效手段。它底层通过 AQS 实现。如下图所示：

构造方法

Semaphore 构造方法有两个 Semaphore(int permits) 和 Semaphore(int permits, boolean fair) 后者有两个参数：第一个参数是许可数量初始化，第二个参数定义信号量是否公平锁同步(默认为非公平)。

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

acquire 方法

acquire 方法可以为理解获取许可，如果存在剩余许可那么就可以进入后续代码块，如果没有获取线程进入阻塞。在共享模式下获取，如果中断将中止。通过首先检查中断状态，然后调用至少一次tryAcquireShared，并在成功时返回来实现。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用tryAcquireShared，直到成功或线程中断。

release 方法

acquire 方法可以为理解释放许可，其他等待许可的线程进入资源竞争阶段。然后去查找等待队列队头有效的等待节点进行唤醒。

整体流程

Semaphore 信号量原理.png

举个例子

场景描述

对于控制流量，或者控制并发我们可以使用 Semaphore 信号量来完成。例子：有100 个人需要过桥，但是桥上最多同时能够承受 5 个人的重量。如果我们需要有序的过桥那么就可以采用信号量的方式来控制。

初始化 5 个许可。

上桥之前先去获取 许可，如果有剩余许可就上桥。

如果没有 许可，就等待许可。

image.png

模拟代码

首先定义桥对象，入下所示：

public class Bridge {      private String name;     private String address;     private Integer max;     public String getName() {          return name;     }     public void setName(String name) {          this.name = name;     }     public String getAddress() {          return address;     }     public void setAddress(String address) {          this.address = address;     }     public Integer getMax() {          return max;     }     public void setMax(Integer max) {          this.max = max;     } } 

然后定义迁徙者对象，就是过桥的人，然后他有个动作就是过桥。代码如下所示。

public class Migrator {      private String name;     public void gapBridge() {          System.out.println("Migrator: " + this.name + ", time:" + System.currentTimeMillis());     }     public String getName() {          return name;     }     public void setName(String name) {          this.name = name;     } } 

调用代码如下：

public class MainTest {      public static void main(String[] args) {          Bridge bridge = new Bridge();         bridge.setAddress("云南");         bridge.setName("XX 桥");         bridge.setMax(5);         Semaphore semaphore = new Semaphore(bridge.getMax());         for (int i=0; i< 100; i++) {              int idx = i;             new Thread(()-> {                  try {                      Migrator migrator = new Migrator();                     migrator.setName("name-" + idx);                     semaphore.acquire();                     TimeUnit.SECONDS.sleep(1);                     migrator.gapBridge();                     System.out.println("name " + migrator.getName() + " 通过");                 } catch (InterruptedException e) {                      e.printStackTrace();                 } finally {                      semaphore.release();                 }             }).start();         }     } } 

输出日志如下：我们可以看到刚开始的时候有 5 个线程获取到 "许可" 几乎同时过桥，后面逐渐就是释放一个许可，另外一个线程继续执行。

Migrator: name-7, time:1630495912011 name name-7 通过 Migrator: name-2, time:1630495912011 name name-2 通过 Migrator: name-4, time:1630495912011 Migrator: name-8, time:1630495912011 Migrator: name-3, time:1630495912011 name name-3 通过 name name-8 通过 name name-4 通过 Migrator: name-5, time:1630495913012 name name-5 通过 Migrator: name-0, time:1630495913012 name name-0 通过 Migrator: name-6, time:1630495913013 

参考文档

https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5414778.html