并发工具类（三）：Semaphore

1、Semaphore介绍

Semaphore（信号量）也是juc包下一个线程同步工具，主要用于在一个时刻允许多个线程

对共享资源进行并行操作的场景。通常情况下，使用 Semaphore 的过程实际上是多个线程

访问共享资源获取许可证的过程。

Semaphore（信号量）底层也是基于AQS实现的，采用AQS的全局变量属性state作为一个

计数器，state 的值就表示是Semaphore信号量资源个数。

Semaphore 的内部逻辑如下：

1）如果Semaphore 内部的计数器大于0，那么线程将可以获得小于该计数器数量的许可

证数量，同时还会导致 Semaphore 内部的计数器减少所发放的许可证数量。
2）如果此时 Semaphore 内部的计数器等于0，表示没有可用的许可证，那么当前线程

可能被阻塞（使用 tryAcquire 方法时不回阻塞）
3）当前线程不再使用许可证时，需要立即将其释放以供其他线程使用，所以建议将

Semaphore 的获取和释放写在 try...finally...语句块中

2、Semaphore 核心属性&构造函数

Semaphore 的核心属性只有一个Sync 类型的变量，Sync是 Semaphore 的一个内部类继承

自AQS，所以Sync也是一个AQS；Semaphore中的所有功能都是基于Sync实现的。

另外 Semaphore 还有2个Sync的子类，即非公平模式实现的NonfairSync 和基于公平模式

实现的FairSync；所以 Semaphore 也是区分 “公平” 和 “非公平“”的。

这里我们需要重点关注下 Semaphore 的构造函数，什么时候是公平的，什么时候是非公平的

Semaphore 构造函数如下：

//默认是非公平的
//创建 Semaphore 时需要指定许可证数量（信号量数量）
public Semaphore(int permits) {
        //默认创建非公平锁
        sync = new NonfairSync(permits);
    }


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

3、Semaphore 应用场景

3.1、流量控制

Semaphore 尝尝用于限制同时在线的用户数量

如xx系统，最多允许指定数量的用户同时在线，如果超过指定数量，将告诉用户无法登录，

请稍后再试，示例代码如下：

public class SemaphoreExample1 {

    public static void main(String[] args) {

        //定义允许登录数量
        final int MAX_PERMIT_LOGIN_ACCOUNT = 10;
        //在这里客户登录逻辑 LoginService 是公共资源
        final LoginService loginService = new LoginService(MAX_PERMIT_LOGIN_ACCOUNT);

        IntStream.range(0,20).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {

                try{
                    //客户登录，实际上是获取一次信号量的操作
                    //boolean login = loginService.login();
                    //非阻塞的acquire() 方法
                    boolean login = loginService.loginByAcquire();
                    if(!login){
                        System.out.println(currentThread().getName()+" login Error");
                    }
                    //模拟登陆后的业务耗时
                    randomSleep();

                }finally {
                    //释放信号量
                    loginService.logout();
                }
            },"User-"+i).start();
        });

    }
    //随机休眠
    private static void randomSleep(){
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(current().nextInt(10));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //定义用户登录类
    private static class LoginService{
        //定义信号量
        private final Semaphore semaphore;

        public LoginService(int maxPermitLoginAccount){
            //初始化信号量，信号量计数器的数量值不能小于0
            this.semaphore = new Semaphore(maxPermitLoginAccount);
        }
        //登录方法，返回登录结果
        public boolean login(){
            //获取信号量,true=获取成功,false=获取失败
            //非阻塞方法，获取信号量失败不阻塞，直接返回false
            boolean login = semaphore.tryAcquire();
            if(login){
                System.out.println(currentThread().getName()+" login success.");
            }
            return login;
        }

        public boolean loginByAcquire(){
            try {
                //若获取信号量失败，则会阻塞，直到有资源可用
               semaphore.acquire();
                System.out.println(currentThread().getName()+" login success.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return true;
        }


        public void logout(){
            //释放许可证
            semaphore.release();
            System.out.println(currentThread().getName()+" logout success.");
        }


    }
}

3.2、使用 Semaphore 模拟一个lock锁

根据 Semaphore 的特性，只要没有可用的信号量（许可证），则当前线程需要挂起等待，

等待其他线程释放信号量。只要new 创建 Semaphore 对象时，传入信号量的数量为1，那么

Semaphore 就是一个lock锁，示例代码如下：

private static class TryLock{
        //Semaphore 中的计数器定义为1，同一时刻只能有一个线程获取到信号量
        private final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

        //能获取到信号量表示成功获取锁
        public boolean lock(){
            boolean lock = semaphore.tryAcquire();
            return lock;
        }

        //释放锁，即释放信号量
        public void unlock(){
            semaphore.release();
            System.out.println(currentThread().getName()+" release lock");
        }
    }

4、Semaphore 常用方法解析

4.1、acquire() 、acquire(int permits) 方法

acquire() 和 acquire(int permits) 方法是获取信号量，若获取失败则一直挂起等待，直到获取

信号量成功；若线程被中断则异常退出；不同的地方是 acquire() 获取一个信号量资源，而

acquire(int permits) 获取指定数量permits的信号量资源，如下所示：

4.2、acquireSharedInterruptibly(int arg) 方法

acquireSharedInterruptibly 方法功能是获取可中断的共享锁；在获取锁之前先判断当前线程

是否已经被其他线程中断，若已经被中断，则抛出中断异常并退出。

若当前线程没有被中断，则执行 tryAcquireShared() ，若 tryAcquireShared() 方法执行失败

，即 tryAcquireShared() 返回值小于0，则将当前线程放入AQS双向链表中阻塞。

acquireSharedInterruptibly 方法代码如下：

在这里我们需要关注 tryAcquireShared() 方法在 AQS子类 Semaphore.NonfairSync

和 Semaphore.FairSync 中的实现

4.2.1、tryAcquireShared() 在 Semaphore.NonfairSync 中的实现

4.2.2、tryAcquireShared() 在 Semaphore.FairSync 中的实现

/**
         * 以公平的模式 获取指定数量acquires的信号量
         * @param acquires
         * @return
         */
        protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            //自旋
            for (;;) {
                //公平实现先判断队列中排队的情况
                //如果有排队节点，且当前节点不是头结点的next节点
                //则表示当前线程在AQS中的队列中排队，则返回-1，表示当前线程由AQS完成阻塞等待
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                //执行到这里表示当前线程不用排队，可以尝试竞争信号量资源
                //state变量用于表示permit值，获取当前资源数量
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                //remaining 小于0，表示没有足够的信号量资源，则直接返回remaining
                //remaining大于等于0，表示此时有多余的信号量，则进行CAS操作，若CAS操作失败，则进入下一次循环
                //若CAS操作成功，表示当前线程获取到了信号量资源，则返回当前的资源数，当前的资源数可能为0或者大于0
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }



 public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        /**
         * 判断 是否存在比当前线程等待时间长的线程或节点（节点关联线程）
         */
        
        Node t = tail; //按反向初始化顺序读取节点
        Node h = head;
        Node s;
        //若队列不为空，且队列中除了头节点外第一个节点中关联的线程不是当前线程，
        //则返回true
        //todo 在并发条件下，在判断 h != t 成立后，后面 s = h.next 可能为空,这种情况下也认为存在有比当前线程等待时间长的线程
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());//todo 注意：在队列不为空的情况下，s一定不为空，
    }

4.3、nonfairTryAcquireShared(int acquires) 方法

nonfairTryAcquireShared 方法是 Semaphore.Sync 类中的方法，用于非公平模式下获取

指定数量的信号量，

/**
         * 非公平锁获取共享锁（即读锁），直接抢锁
         * 这里是获取信号量
         *
         * @param acquires 要获取信号量的数量
         * @return
         */
        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            //非公平锁直接CAS抢锁即可，直到可用资源小于0 或 CAS 抢到了锁
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                //可用资源数remaining小于0 或 CAS操作成功，即抢到了锁才会结束
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

4.4、acquireUninterruptibly(int permits) 方法

获取指定数量的信号量，若获取失败，则一直阻塞
若线程被中断，则继续等待，即不允许中断

注意：acquireShared(int arg) 方法的解析请参考前边“AQS（二）共享锁的获取”

4.5、tryAcquire()、tryAcquire(int permits) 方法

获取一指定数量的信号量资源，若有资源则返回true，若获取失败则返回false,
注意：这个方法线程不会阻塞

nonfairTryAcquireShared 方法请参考4.3

4.4、tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)、 tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)

带有超时时间的获取指定数量的信号量资源，若获取成功，则直接返回true，都则线程挂起

等待，若等待超过了超时时间 timeout ，则返回false

4.5、release() 、release(int permits)方法

释放指定信号量，release() 默认是释放一个信号量

注意：这里释放信号量的逻辑是在 Semaphore.Sync 中实现的

4.6、tryReleaseShared(int releases) 方法

该方法功能是释放指定数量的信号量，是在 Semaphore.Sync 中实现的

/**
         * 释放锁（信号量）
         * @param releases
         * @return
         */
        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            //直接通过CAS操作对AQS的全局变量 state加上参数releases（releases一般都是1）即可
            for (;;) {
                //获取当前state,即信号量资源个数
                int current = getState();
                //机上要归还的信号量个数
                int next = current + releases;
                if (next < current) // 信号量小于加前的，即信号量溢出（超过int 最大值），则抛出溢出
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))//CAS操作成功，表示释放成功，则返回true，直接结束，否则进入下一次循环
                    return true;
            }
        }

4.7、availablePermits() 方法

availablePermits 功能是获取当前可用的信号量个数

 public int availablePermits() {
        return sync.getPermits();
    }

//Sync方法
final int getPermits() {
            return getState();
        }
//AQS方法
protected final int getState() {
        //返回同步状态的当前值。该操作具有volatile读的内存语义。
        return state;
    }