java semaphore

Java Semaphore简介

信号量（Semaphore）的概念是由荷兰计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉（Edsger W. Dijkstra）发明，较为广泛地应用于计算机操作系统进程通信，其核心原理是维护一个计数值，通过等待（wait）或者释放（release）操作来减少或者增加计数值。当计数值为零时，等待（wait）操作需要等到该计数值重新大于0时才能成功。

不同的编程语言一般都有Semaphore的实现，Java语言中Semaphore是concurrent包中提供的一个并发控制工具，其提供了一套许可的机制来实现并发访问资源控制。Semaphore保证这些操作的线程安全，一般较为适合用在有限资源并发管理的场景，下面是常见的两种用法。

Binary Semaphore
这个用法即只有两个状态的信号量，该用法类似于排它锁。但Binary semaphore存在一个很大的问题在于其没有Ownership的概念，也就意味着A线程的Permit可以被B线程Release，所以如果直接将其用作排它锁，则可能会出现并发安全问题。但另一方面，这个机制可能会在特定场景有用武之地，例如你想实现死锁恢复的场景。

Count Semaphores

拥有多个permit并允许多个线程同时持有permit。其具体用法比较多样，可以用来进行资源管理或模拟CountDownLatch等。

/** 模拟资源管理*/
class Pool {
  private final Semaphore available = new Semaphore(0, true);
  private ConcurrentLinkedQueue<Object> poolObjects = new ConcurrentLinkedQueue<>();
  public Object getItem() throws InterruptedException {
      available.acquire();
      return poolObjects.poll();
  }
  public void putItem(Object x) {
      poolObjects.offer(x);
      available.release();
  }
}

  /** 模拟CountDownLatch典型用法*/
  public void SemaphoreCountDown() throws Exception{
      Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      semaphore.acquire(3);
  }
  private void doXXX(Semaphore semaphore) {
      /*do something*/
      semaphore.release();
  }

  /** 模拟CyclicBarrier典型用法*/
  public void SemaphoreCountUp() throws Exception{
      Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      new Thread(() -> doXXX(semaphore)).start();
      semaphore.release(3);
  }

  private void doXXX(Semaphore semaphore) {
      try {
          /*do something*/
          semaphore.acquire();
          /*do something in the same time*/
      } catch (InterruptedException e) {}
  }

Semaphore原理

字段、方法简介

Semaphore类的字段主要包括一个Sync类的对象、公平策略配置fair以及排队线程集合和长度。Sync是Semaphore内部类，其继承了AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，提供了利用Unsafe类的CAS操作来进行队列同步的能力。Sync下有两个子类：FairSync、NonfairSync，这个两个类是公平策略配置的具体实现。

类的方法主要分两种，一种是获取Permit的acquire类相关方法，一种是release类相关方法。acquire相关方法一般会阻塞，可设置阻塞时间和是否可被interrupt，如果需要非阻塞可使用tryAcquire相关方法，但要注意tryAquire()方法强制使用非公平策略。其他还有permit相关的方法如获取当前可用许可及直接操作许可。

所有的acquire类和release相关方法内部都会调用到持有的sync类对象。

Sync类介绍

当创建一个Semaphore实际会创建一个Sync，前面介绍了Sync类继承AQS，会将permits数量设置为AQS的state。那么Sync类是如何实现信号量机制、FairSync和NonFairSync是如何实现公平和非公平策略的呢？

以acquire()方法为例，来了解下获取permit的流程。

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

acquire()方法会调用到AQS的acquireSharedInterruptibly方法，该方法主要做了两个事：尝试获取及失败排队。尝试获取主要是调用tryAcquireShared方法。这个方法在FairSync和NonFairSync有不同的实现。先来看FairSync的实现：

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;
    }
}

可以看到其先会调用hasQueuedPredecessors判断是否存在已经在等待permit的线程。如果有就返回-1表示尝试获取失败。如果没有等待的线程且剩余permit数量大于尝试获取的数量，则后续通过unsafe的CAS操作更新state。最后返回剩余的permit数量。再对比下NonFairSync的实现：

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;
    }
}

可以看到，NonFairSync没有hasQueuedPredecessors的判断，当前线程可能会在AQS中等待线程之前获取到permit，这样FairSync和NonFairSync便实现了公平和非公平策略。

当tryAcquireShared尝试获取失败后，则会调用AQS的doAcquireSharedInterruptibly方法进行排队等待。该方法实现了排队、park和interrupt相关功能，最后也会通过tryAcquireShared来获取permit。

到这里你会发现，acquire调用的AQS方法中都含有Shared，这是因为Semaphore实际就是共享的模式，允许多个线程同时去请求permit。

现在你应该对Semaphore的基本用法和原理有初步了解，但很多核心的功能是由AQS来实现的，下一篇文章我们再继续深入了解下AQS。

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Java Semaphore使用及原理介绍

Java semaphore usage and source code introduction

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Semaphore原理

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