來源：勞夫子
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Java併發系列｜Semaphore源碼分析


Semaphore(信號量)是JUC包中比較常用到的一個類，它是AQS共享模式的一個應用，可以允許多個線程同時對共享資源進行操作，並且可以有效的控制併發數，利用它可以很好的實現流量控制。

Semaphore提供了一個許可證的概念，可以把這個許可證看作公共汽車車票，只有成功獲取車票的人才能夠上車，並且車票是有一定數量的，不可能毫無限制的發下去，這樣就會導致公交車超載。所以當車票發完的時候(公交車以滿載)，其他人就只能等下一趟車了。如果中途有人下車，那麼他的位置將會空閒出來，因此如果這時其他人想要上車的話就又可以獲得車票了。

利用Semaphore可以實現各種池，我們在本篇末尾將會動手寫一個簡易的數據庫連接池。首先我們來看一下Semaphore的構造器。

//構造器1
public Semaphore(int permits) {
 sync = new NonfairSync(permits);
}
//構造器2
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
 sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

Semaphore提供了兩個帶參構造器，沒有提供無參構造器。這兩個構造器都必須傳入一個初始的許可證數量，使用構造器1構造出來的信號量在獲取許可證時會採用非公平方式獲取，使用構造器2可以通過參數指定獲取許可證的方式(公平or非公平)。

Semaphore主要對外提供了兩類API，獲取許可證和釋放許可證，默認的是獲取和釋放一個許可證，也可以傳入參數來同時獲取和釋放多個許可證。在本篇中我們只講每次獲取和釋放一個許可證的情況。

1、獲取許可證

//獲取一個許可證(響應中斷)
public void acquire() throws InterruptedException {
 sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
//獲取一個許可證(不響應中斷)
public void acquireUninterruptibly() {
 sync.acquireShared(1);
}
//嘗試獲取許可證(非公平獲取)
public boolean tryAcquire() {
 return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
//嘗試獲取許可證(定時獲取)
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
 return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

上面的API是Semaphore提供的默認獲取許可證操作。每次只獲取一個許可證，這也是現實生活中較常遇到的情況。除了直接獲取還提供了嘗試獲取，直接獲取操作在失敗之後可能會阻塞線程，而嘗試獲取則不會。另外還需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式嘗試獲取的。在平時我們比較常用到的是acquire方法去獲取許可證。下面我們就來看看它是怎樣獲取的。可以看到acquire方法裏面直接就是調用sync.acquireSharedInterruptibly，這個方法是AQS裏面的方法，我們簡單講一下。

//以可中斷模式獲取鎖(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
 //首先判斷線程是否中斷, 如果是則拋出異常
 if (Thread.interrupted()) {
 throw new InterruptedException();
 }
 //1.嘗試去獲取鎖
 if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
 //2. 如果獲取失敗則進人該方法
 doAcquireSharedInterruptibly(arg);
 }
}

acquireSharedInterruptibly方法首先就是去調用tryAcquireShared方法去嘗試獲取，tryAcquireShared在AQS裏面是抽象方法，FairSync和NonfairSync這兩個派生類實現了該方法的邏輯。FairSync實現的是公平獲取的邏輯，而NonfairSync實現的非公平獲取的邏輯。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 //非公平方式嘗試獲取
 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
 for (;;) {
 //獲取可用許可證
 int available = getState();
 //獲取剩餘許可證
 int remaining = available - acquires;
 //1.如果remaining小於0則直接返回remaining
 //2.如果remaining大於0則先更新同步狀態再返回remaining
 if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
 return remaining;
 }
 }
 }
}
//非公平同步器
static final class NonfairSync extends Sync {
 private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
 NonfairSync(int permits) {
 super(permits);
 }
 //嘗試獲取許可證
 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 return nonfairTryAcquireShared(acquires);
 }
}
//公平同步器
static final class FairSync extends Sync {
 private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
 FairSync(int permits) {
 super(permits);
 }
 //嘗試獲取許可證
 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 for (;;) {
 //判斷同步隊列前面有沒有人排隊
 if (hasQueuedPredecessors()) {
 //如果有的話就直接返回-1，表示嘗試獲取失敗
 return -1;
 }
 //獲取可用許可證
 int available = getState();
 //獲取剩餘許可證
 int remaining = available - acquires;
 //1.如果remaining小於0則直接返回remaining
 //2.如果remaining大於0則先更新同步狀態再返回remaining
 if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
 return remaining;
 }
 }
 }
}

這裏需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接調用的是nonfairTryAcquireShared方法，這個方法是在父類Sync裏面的。非公平獲取鎖的邏輯是先取出當前同步狀態(同步狀態表示許可證個數)，將當前同步狀態減去參入的參數，如果結果不小於0的話證明還有可用的許可證，那麼就直接使用CAS操作更新同步狀態的值，最後不管結果是否小於0都會返回該結果值。

這裏我們要了解tryAcquireShared方法返回值的含義，返回負數表示獲取失敗，零表示當前線程獲取成功但後續線程不能再獲取，正數表示當前線程獲取成功並且後續線程也能夠獲取。我們再來看acquireSharedInterruptibly方法的代碼。

//以可中斷模式獲取鎖(共享模式)
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
 //首先判斷線程是否中斷, 如果是則拋出異常
 if (Thread.interrupted()) {
 throw new InterruptedException();
 }
 //1.嘗試去獲取鎖
 //負數：表示獲取失敗
 //零值：表示當前線程獲取成功, 但是後繼線程不能再獲取了
 //正數：表示當前線程獲取成功, 並且後繼線程同樣可以獲取成功
 if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
 //2. 如果獲取失敗則進人該方法
 doAcquireSharedInterruptibly(arg);
 }
}

如果返回的remaining小於0的話就代表獲取失敗，因此tryAcquireShared(arg) < 0就爲true，所以接下來就會調用doAcquireSharedInterruptibly方法，這個方法我們在講AQS的時候講過，它會將當前線程包裝成結點放入同步隊列尾部，並且有可能掛起線程。這也是當remaining小於0時線程會排隊阻塞的原因。

而如果返回的remaining>=0的話就代表當前線程獲取成功，因此tryAcquireShared(arg) < 0就爲flase，所以就不會再去調用doAcquireSharedInterruptibly方法阻塞當前線程了。

以上是非公平獲取的整個邏輯，而公平獲取時僅僅是在此之前先去調用hasQueuedPredecessors方法判斷同步隊列是否有人在排隊，如果有的話就直接return -1表示獲取失敗，否則才繼續執行下面和非公平獲取一樣的步驟。

2、釋放許可證

//釋放一個許可證
public void release() {
 sync.releaseShared(1);
}

調用release方法是釋放一個許可證，它的操作很簡單，就調用了AQS的releaseShared方法，我們來看看這個方法。

//釋放鎖的操作(共享模式)
public final boolean releaseShared(int arg) {
 //1.嘗試去釋放鎖
 if (tryReleaseShared(arg)) {
 //2.如果釋放成功就喚醒其他線程
 doReleaseShared();
 return true;
 }
 return false;
}

AQS的releaseShared方法首先調用tryReleaseShared方法嘗試釋放鎖，這個方法的實現邏輯在子類Sync裏面。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 ...
 //嘗試釋放操作
 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
 for (;;) {
 //獲取當前同步狀態
 int current = getState();
 //將當前同步狀態加上傳入的參數
 int next = current + releases;
 //如果相加結果小於當前同步狀態的話就報錯
 if (next < current) {
 throw new Error("Maximum permit count exceeded");
 }
 //以CAS方式更新同步狀態的值, 更新成功則返回true, 否則繼續循環
 if (compareAndSetState(current, next)) {
 return true;
 }
 }
 }
 ...
}

可以看到tryReleaseShared方法裏面採用for循環進行自旋，首先獲取同步狀態，將同步狀態加上傳入的參數，然後以CAS方式更新同步狀態，更新成功就返回true並跳出方法，否則就繼續循環直到成功爲止，這就是Semaphore釋放許可證的流程。

3、動手寫個連接池

Semaphore代碼並沒有很複雜，常用的操作就是獲取和釋放一個許可證，這些操作的實現邏輯也都比較簡單，但這並不妨礙Semaphore的廣泛應用。下面我們就來利用Semaphore實現一個簡單的數據庫連接池，通過這個例子希望讀者們能更加深入的掌握Semaphore的運用。

public class ConnectPool {
 //連接池大小
 private int size;
 //數據庫連接集合
 private Connect[] connects;
 //連接狀態標誌
 private boolean[] connectFlag;
 //剩餘可用連接數
 private volatile int available;
 //信號量
 private Semaphore semaphore;
 //構造器
 public ConnectPool(int size) { 
 this.size = size;
 this.available = size;
 semaphore = new Semaphore(size, true);
 connects = new Connect[size];
 connectFlag = new boolean[size];
 initConnects();
 }
 //初始化連接
 private void initConnects() {
 //生成指定數量的數據庫連接
 for(int i = 0; i < this.size; i++) {
 connects[i] = new Connect();
 }
 }
 //獲取數據庫連接
 private synchronized Connect getConnect(){ 
 for(int i = 0; i < connectFlag.length; i++) {
 //遍歷集合找到未使用的連接
 if(!connectFlag[i]) {
 //將連接設置爲使用中
 connectFlag[i] = true;
 //可用連接數減1
 available--;
 System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以獲取連接 剩餘連接數：" + available);
 //返回連接引用
 return connects[i];
 }
 }
 return null;
 }
 //獲取一個連接
 public Connect openConnect() throws InterruptedException {
 //獲取許可證
 semaphore.acquire();
 //獲取數據庫連接
 return getConnect();
 }
 //釋放一個連接
 public synchronized void release(Connect connect) { 
 for(int i = 0; i < this.size; i++) {
 if(connect == connects[i]){
 //將連接設置爲未使用
 connectFlag[i] = false;
 //可用連接數加1
 available++;
 System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以釋放連接 剩餘連接數：" + available);
 //釋放許可證
 semaphore.release();
 }
 }
 }
 //剩餘可用連接數
 public int available() {
 return available;
 }
}

測試代碼：

public class TestThread extends Thread {
 private static ConnectPool pool = new ConnectPool(3);
 @Override
 public void run() {
 try {
 Connect connect = pool.openConnect();
 Thread.sleep(100); //休息一下
 pool.release(connect);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }
 public static void main(String[] args) {
 for(int i = 0; i < 10; i++) {
 new TestThread().start();
 }
 }
}

測試結果：


Java併發系列｜Semaphore源碼分析


我們使用一個數組來存放數據庫連接的引用，在初始化連接池的時候會調用initConnects方法創建指定數量的數據庫連接，並將它們的引用存放到數組中，此外還有一個相同大小的數組來記錄連接是否可用。

每當外部線程請求獲取一個連接時，首先調用semaphore.acquire()方法獲取一個許可證，然後將連接狀態設置爲使用中，最後返回該連接的引用。許可證的數量由構造時傳入的參數決定，每調用一次semaphore.acquire()方法許可證數量減1，當數量減爲0時說明已經沒有連接可以使用了，這時如果其他線程再來獲取就會被阻塞。

每當線程釋放一個連接的時候會調用semaphore.release()將許可證釋放，此時許可證的總量又會增加，代表可用的連接數增加了，那麼之前被阻塞的線程將會醒來繼續獲取連接，這時再次獲取就能夠成功獲取連接了。

測試示例中初始化了一個3個連接的連接池，我們從測試結果中可以看到，每當線程獲取一個連接剩餘的連接數將會減1，等到減爲0時其他線程就不能再獲取了，此時必須等待一個線程將連接釋放之後才能繼續獲取。可以看到剩餘連接數總是在0到3之間變動，說明我們這次的測試是成功的。

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