Semaphore(信号量)是JUC包中比较常用到的一个类，它是AQS共享模式的一个应用，可以允许多个线程同时对共享资源进行操作，并且可以有效的控制并发数，利用它可以很好的实现流量控制。Semaphore提供了一个许可证的概念，可以把这个许可证看作公共汽车车票，只有成功获取车票的人才能够上车，并且车票是有一定数量的，不可能毫无限制的发下去，这样就会导致公交车超载。所以当车票发完的时候(公交车以满载)，其他人就只能等下一趟车了。如果中途有人下车，那么他的位置将会空闲出来，因此如果这时其他人想要上车的话就又可以获得车票了。利用Semaphore可以实现各种池，我们在本篇末尾将会动手写一个简易的数据库连接池。首先我们来看一下Semaphore的构造器。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
|
//构造器1public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits);}//构造器2public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);} |
Semaphore提供了两个带参构造器，没有提供无参构造器。这两个构造器都必须传入一个初始的许可证数量，使用构造器1构造出来的信号量在获取许可证时会采用非公平方式获取，使用构造器2可以通过参数指定获取许可证的方式(公平or非公平)。Semaphore主要对外提供了两类API，获取许可证和释放许可证，默认的是获取和释放一个许可证，也可以传入参数来同时获取和释放多个许可证。在本篇中我们只讲每次获取和释放一个许可证的情况。
1.获取许可证
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
|
//获取一个许可证(响应中断)public void acquire() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1);}//获取一个许可证(不响应中断)public void acquireUninterruptibly() { sync.acquireShared(1);}//尝试获取许可证(非公平获取)public boolean tryAcquire() { return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;}//尝试获取许可证(定时获取)public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));} |
上面的API是Semaphore提供的默认获取许可证操作。每次只获取一个许可证，这也是现实生活中较常遇到的情况。除了直接获取还提供了尝试获取，直接获取操作在失败之后可能会阻塞线程，而尝试获取则不会。另外还需注意的是tryAcquire方法是使用非公平方式尝试获取的。在平时我们比较常用到的是acquire方法去获取许可证。下面我们就来看看它是怎样获取的。可以看到acquire方法里面直接就是调用sync.acquireSharedInterruptibly(1)，这个方法是AQS里面的方法，我们在讲AQS源码系列文章的时候曾经讲过，现在我们再来回顾一下。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
//以可中断模式获取锁(共享模式)public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { //首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常 if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); } //1.尝试去获取锁 if (tryAcquireShared(arg) < 0) { //2. 如果获取失败则进人该方法 doAcquireSharedInterruptibly(arg); }} |
acquireSharedInterruptibly方法首先就是去调用tryAcquireShared方法去尝试获取，tryAcquireShared在AQS里面是抽象方法，FairSync和NonfairSync这两个派生类实现了该方法的逻辑。FairSync实现的是公平获取的逻辑，而NonfairSync实现的非公平获取的逻辑。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
|
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { //非公平方式尝试获取 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { //获取可用许可证 int available = getState(); //获取剩余许可证 int remaining = available - acquires; //1.如果remaining小于0则直接返回remaining //2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回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); } //尝试获取许可证 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); } //尝试获取许可证 protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { //判断同步队列前面有没有人排队 if (hasQueuedPredecessors()) { //如果有的话就直接返回-1，表示尝试获取失败 return -1; } //获取可用许可证 int available = getState(); //获取剩余许可证 int remaining = available - acquires; //1.如果remaining小于0则直接返回remaining //2.如果remaining大于0则先更新同步状态再返回remaining if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) { return remaining; } } }} |
这里需要注意的是NonfairSync的tryAcquireShared方法直接调用的是nonfairTryAcquireShared方法，这个方法是在父类Sync里面的。非公平获取锁的逻辑是先取出当前同步状态(同步状态表示许可证个数)，将当前同步状态减去参入的参数，如果结果不小于0的话证明还有可用的许可证，那么就直接使用CAS操作更新同步状态的值，最后不管结果是否小于0都会返回该结果值。这里我们要了解tryAcquireShared方法返回值的含义，返回负数表示获取失败，零表示当前线程获取成功但后续线程不能再获取，正数表示当前线程获取成功并且后续线程也能够获取。我们再来看acquireSharedInterruptibly方法的代码。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
|
//以可中断模式获取锁(共享模式)public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { //首先判断线程是否中断, 如果是则抛出异常 if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); } //1.尝试去获取锁 //负数：表示获取失败 //零值：表示当前线程获取成功, 但是后继线程不能再获取了 //正数：表示当前线程获取成功, 并且后继线程同样可以获取成功 if (tryAcquireShared(arg) < 0) { //2. 如果获取失败则进人该方法 doAcquireSharedInterruptibly(arg); }} |
如果返回的remaining小于0的话就代表获取失败，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为true，所以接下来就会调用doAcquireSharedInterruptibly方法，这个方法我们在讲AQS的时候讲过，它会将当前线程包装成结点放入同步队列尾部，并且有可能挂起线程。这也是当remaining小于0时线程会排队阻塞的原因。而如果返回的remaining>=0的话就代表当前线程获取成功，因此tryAcquireShared(arg) < 0就为flase，所以就不会再去调用doAcquireSharedInterruptibly方法阻塞当前线程了。以上是非公平获取的整个逻辑，而公平获取时仅仅是在此之前先去调用hasQueuedPredecessors方法判断同步队列是否有人在排队，如果有的话就直接return -1表示获取失败，否则才继续执行下面和非公平获取一样的步骤。
2.释放许可证
|
1
2
3
4
|
//释放一个许可证public void release() { sync.releaseShared(1);} |
调用release方法是释放一个许可证，它的操作很简单，就调用了AQS的releaseShared方法，我们来看看这个方法。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
|
//释放锁的操作(共享模式)public final boolean releaseShared(int arg) { //1.尝试去释放锁 if (tryReleaseShared(arg)) { //2.如果释放成功就唤醒其他线程 doReleaseShared(); return true; } return false;} |
AQS的releaseShared方法首先调用tryReleaseShared方法尝试释放锁，这个方法的实现逻辑在子类Sync里面。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
|
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { ... //尝试释放操作 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { //获取当前同步状态 int current = getState(); //将当前同步状态加上传入的参数 int next = current + releases; //如果相加结果小于当前同步状态的话就报错 if (next < current) { throw new Error("Maximum permit count exceeded"); } //以CAS方式更新同步状态的值, 更新成功则返回true, 否则继续循环 if (compareAndSetState(current, next)) { return true; } } } ...} |
可以看到tryReleaseShared方法里面采用for循环进行自旋，首先获取同步状态，将同步状态加上传入的参数，然后以CAS方式更新同步状态，更新成功就返回true并跳出方法，否则就继续循环直到成功为止，这就是Semaphore释放许可证的流程。
3.动手写个连接池
Semaphore代码并没有很复杂，常用的操作就是获取和释放一个许可证，这些操作的实现逻辑也都比较简单，但这并不妨碍Semaphore的广泛应用。下面我们就来利用Semaphore实现一个简单的数据库连接池，通过这个例子希望读者们能更加深入的掌握Semaphore的运用。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
|
public class ConnectPool { //连接池大小 private int size; //数据库连接集合 private Connect[] connects; //连接状态标志 private boolean[] connectFlag; //剩余可用连接数 private volatile int available; //信号量 private Semaphore semaphore; //构造器 public ConnectPool(int size) { this.size = size; this.available = size; semaphore = new Semaphore(size, true); connects = new Connect[size]; connectFlag = new boolean[size]; initConnects(); } //初始化连接 private void initConnects() { //生成指定数量的数据库连接 for(int i = 0; i < this.size; i++) { connects[i] = new Connect(); } } //获取数据库连接 private synchronized Connect getConnect(){ for(int i = 0; i < connectFlag.length; i++) { //遍历集合找到未使用的连接 if(!connectFlag[i]) { //将连接设置为使用中 connectFlag[i] = true; //可用连接数减1 available--; System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以获取连接 剩余连接数：" + available); //返回连接引用 return connects[i]; } } return null; } //获取一个连接 public Connect openConnect() throws InterruptedException { //获取许可证 semaphore.acquire(); //获取数据库连接 return getConnect(); } //释放一个连接 public synchronized void release(Connect connect) { for(int i = 0; i < this.size; i++) { if(connect == connects[i]){ //将连接设置为未使用 connectFlag[i] = false; //可用连接数加1 available++; System.out.println("【"+Thread.currentThread().getName()+"】以释放连接 剩余连接数：" + available); //释放许可证 semaphore.release(); } } } //剩余可用连接数 public int available() { return available; } } |
测试代码：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
|
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(); } }} |
测试结果：
我们使用一个数组来存放数据库连接的引用，在初始化连接池的时候会调用initConnects方法创建指定数量的数据库连接，并将它们的引用存放到数组中，此外还有一个相同大小的数组来记录连接是否可用。每当外部线程请求获取一个连接时，首先调用semaphore.acquire()方法获取一个许可证，然后将连接状态设置为使用中，最后返回该连接的引用。许可证的数量由构造时传入的参数决定，每调用一次semaphore.acquire()方法许可证数量减1，当数量减为0时说明已经没有连接可以使用了，这时如果其他线程再来获取就会被阻塞。每当线程释放一个连接的时候会调用semaphore.release()将许可证释放，此时许可证的总量又会增加，代表可用的连接数增加了，那么之前被阻塞的线程将会醒来继续获取连接，这时再次获取就能够成功获取连接了。测试示例中初始化了一个3个连接的连接池，我们从测试结果中可以看到，每当线程获取一个连接剩余的连接数将会减1，等到减为0时其他线程就不能再获取了，此时必须等待一个线程将连接释放之后才能继续获取。可以看到剩余连接数总是在0到3之间变动，说明我们这次的测试是成功的。
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持服务器之家。
原文链接：https://www.cnblogs.com/liuyun1995/p/8474026.html
