[JDK] JDK 소스 코드 분석 -Semaphore

개요

세마포어가 계약의 도구 클래스, 그것은 세마포어 이해된다. 즉, 일반적으로 유동 제한 기로서 사용될 수 있으며, 스레드의 수가 연결 풀의 수를 제한하는 등의, 리소스에 대한 액세스를 제한한다.

운전 중) 기차에 사람이 (권한을 라이센스 번호를 얻을 경우 (차 (허가의 초기 "권한"수) 고정 좌석 수 좌석의 수를 : 인기있는 예제를 확인, 세마포어는 버스로 이해 될 수있다 사람들이 풀 타임 기차에 라이센스를 취득하기 위해 (실패)를 계속 할 수 없을 때), 감소 될 것이다 빈 좌석의 숫자 후) 누군가 오프 (릴리스 권한, 다른 사람은 버스에서 작업을 계속할 수 있습니다.

아래 구체적인 분석을 위해 어떤 코드입니다.

코드 분석

다음과 같이 세마포어 방법은 다음과 같습니다

자신의 역할과 동일한 방법으로 주로 획득한다 ()과 해제 () 메소드 관련 시리즈. 우리는 생성자로 시작을 분석하기 시작합니다.

생성자

private final Sync sync;

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，非公平
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

// 初始化 Semaphore，传入指定的许可数量，指定是否公平
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

构造器初始化了 Sync 变量，根据传入的 fair 值指定为 FairSync 或 NonFairSync，下面分析这三个类。

内部嵌套类 Sync：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
    
    // 构造器，将父类 AQS 的 state 变量初始化为给定的 permits
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    // 非公平方式尝试获取许可（减少 state 的值）
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        // 自旋操作
        for (;;) {
            // 获取许可值（state），并尝试 CAS 修改为减去后的结果
            int available = getState();
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }

    // 释放许可（增加 state 的值）
    protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
        for (;;) {
            // 操作与获取类似，不同的在于此处是增加 state 值
            int current = getState();
            int next = current + releases;
            if (next < current) // overflow
                throw new Error("Maximum permit count exceeded");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return true;
        }
    }
    
    // 一些方法未给出...
}

可以看到 Sync 类继承自 AQS，并重写了 AQS 的 tryReleaseShared 方法，其中获取和释放许可分别对应的是对 AQS 中 state 值的减法和加法操作。具体可参考前文对 AQS 共享模式的分析「JDK源码分析-AbstractQueuedSynchronizer(3)」。

NonFairSync (非公平版本实现)：

static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;

    // 调用父类 Sync 的构造器来实现
    NonfairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
    // 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，代码实现在父类 Sync 中
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        return nonfairTryAcquireShared(acquires);
    }
}

FairSync (公平版本实现)：

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
    
    // 构造器调用父类 Sync 的构造器来实现
    FairSync(int permits) {
        super(permits);
    }
    
    // 重写 AQS 的 tryAcquireShared 方法，尝试获取许可（permit）
    protected int tryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            // 若队列中有其他线程等待，则获取失败（这就是体现“公平”的地方）
            if (hasQueuedPredecessors())
                return -1;
            // 获取当前的许可值
            int available = getState();
            // 计算剩余值
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                return remaining;
        }
    }
}

PS: 体现“公平”的地方在于 tryAcquireShared 方法中，公平的版本会先判断队列中是否有其它线程在等待（hasQueuedPredecessors 方法）。

主要方法的代码实现：

// 获取一个许可（可中断）
public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}

// 获取一个许可（不响应中断）
public void acquireUninterruptibly() {
    sync.acquireShared(1);
}

// 尝试获取一个许可
public boolean tryAcquire() {
    return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}

// 尝试获取一个许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}

// 释放一个许可
public void release() {
    sync.releaseShared(1);
}

还有一系列类似的操作，只不过获取/释放许可的数量可以指定：

// 获取指定数量的许可（可中断）
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

// 获取指定数量的许可（不可中断）
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireShared(permits);
}

// 尝试获取指定数量的许可
public boolean tryAcquire(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}

// 尝试获取指定数量的许可（有超时等待）
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
    throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}

// 释放指定数量的许可
public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

可以看到，Semaphore 的主要方法都是在嵌套类 FairSync 和 NonFairSync 及其父类 Sync 中实现的，内部嵌套类也是 AQS 的典型用法。

场景举例

为了便于理解 Semaphore 的用法，下面简单举例分析（仅供参考）：

public class SemaphoreTest {
  public static void main(String[] args) {
    // 初始化 Semaphore
    // 这里的许可数为 2，即同时最多有 2 个线程可以获取到
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          // 获取许可
          semaphore.acquire();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行..");
          // 模拟操作
          TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          // 释放许可
          semaphore.release();
        }
      }).start();
    }
  }
}
/*  执行结果（仅供参考）：
    Thread-0 正在执行..
    Thread-1 正在执行..
    Thread-2 正在执行..
    Thread-3 正在执行..
    ...
*/

这里把 Semaphore 的初始许可值设为 2，表示最多有两个线程可同时获取到许可（运行程序可发现线程是两两一起执行的）。设置为其他值也是类似的。

比较特殊的是，如果把 Semaphore 的初始许可值设为 1，可以当做“互斥锁”来使用。

小结

Semaphore 是并发包中的一个工具类，其内部是基于 AQS 共享模式实现的。通常可以作为限流器使用，比如限定连接池等的大小。

[JDK] JDK 소스 코드 분석 -Semaphore

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