JUC--Semaphore信号量
信号量
一：什么是信号量
信号量是对锁的扩展，不管是同步synchronized还是ReentrantLock，一次只能允许一个线程访问一个资源，但是信号量可以使得多个线程，同时访问一个资源。
基本方法：
public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits); } public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); }
permits参数表示能同时申请多少个信号量，主要用来控制线程的并发数量，即同时有多少个线程可以访问资源。
信号量的主要API：
public void acquire()； public void acquireUninterruptibly()； public boolean tryAcquire()； public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)； public void release()；
- acquire()：尝试获得准入的许可，若无法获得，会持续等待，直到线程释放一个许可，或者线程中断。
- void acquireUninterruptibly()：与acquire类似，但是不响应中断。
- tryAcquire()：尝试获得准入许可，得到返回true，没有返回false，不会持续等待。
- tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：与tryAcquire类似，但是会有一个等待的时间，超过时间立即返回。
- release()：线程访问资源结束后，释放许可。
先用Semaphore实现一个购票的小例子，来看看如何使用：
public class Ticket { public static void main(String[] args) { Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 声明5个令牌 //同时运行了10个线程，但是只有5个线程在工作，另外5个被阻塞了。 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread() { @Override public void run() { try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始运行。。"); semaphore.acquire(); // 占用令牌 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 开始买票"); sleep(2000); // 睡2秒，模拟买票流程 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 购票成功"); semaphore.release(); // 释放令牌 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }.start(); } }
Thread-1: 开始运行。。 Thread-1: 开始买票 Thread-7: 开始运行。。 Thread-7: 开始买票 Thread-3: 开始运行。。 Thread-3: 开始买票 Thread-2: 开始运行。。 Thread-2: 开始买票 Thread-6: 开始运行。。 Thread-6: 开始买票 Thread-5: 开始运行。。 Thread-9: 开始运行。。 Thread-0: 开始运行。。 Thread-4: 开始运行。。 Thread-8: 开始运行。。 Thread-7: 购票成功 Thread-5: 开始买票 Thread-1: 购票成功 Thread-9: 开始买票 Thread-3: 购票成功 Thread-0: 开始买票 Thread-2: 购票成功 Thread-4: 开始买票 Thread-6: 购票成功 Thread-8: 开始买票 Thread-5: 购票成功 Thread-9: 购票成功 Thread-0: 购票成功 Thread-4: 购票成功 Thread-8: 购票成功
从结果来看，最多只有5个线程在购票。而这么精确的控制，我们也只是调用了acquire和release方法。下面看看是如何实现的。
从acquire方法进去，又可以看到老套路：具体调用的还是AbstractQueuedSynchronizer这个类的逻辑
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
而tryAcquireShared方法留给了子类去实现，Semaphore类里面的两个内部类FairSync和NonfairSync都继承自AbstractQueuedSynchronizer。这两个内部类，从名字来看，一个实现了公平锁，另一个是非公平锁。这里多说一句，所谓公平和非公平是这个意思：假设现在有一个线程A在等待获取锁，这时候又来了线程B，如果这个时候B不考虑A的感受，也去申请锁，显然不公平；反之，只要A是先来的，B一定要排在A的后面，不能马上去申请锁，就是公平的。
Semaphore默认是调用了NonfairSync的tryAcquireShared方法，主要逻辑：
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
这又是一个经典的CAS操作加无限循环的算法，用来保证共享变量的正确性。另外，此处的getState()方法很是迷惑人，你以为是获取状态，实则不然。我们先看看Semaphore的构造方法：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// 内部类
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
// 内部类，NonfairSync的父类
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
我们传进去的参数5，最终传给了setState方法，而getState和setState方法都在AbstractQueuedSynchronizer类里面
/**
* The synchronization state.
*/
private volatile int state;
protected final int getState() {
return state;
}
protected final void setState(int newState) {
state = newState;
}
也就是说父类定义了一个属性state，并配有final的get和set方法，子类只需要继承该属性，想代表什么含义都可以，比如Semaphore里面的内部类Sync就把这个属性当作最大允许访问的permits，像CountDownLatch和CyclicBarrier都是这么干的。这种方式似乎不太好理解，为什么不是每个子类都定义自己的具有明确语义的属性，而是把控制权放在父类？？？我猜是出于安全的考虑。反正，大师的思考深度，我们揣摩不了。
再回到tryAcquireShared方法，这个方法是有参数的---int型的acquires，代表你要一次占几个坑。我们调用的无参的acquire方法，默认是传入1作为参数调用的这个方法，一次只申请一个坑。但是有的情况下，你可能一次需要多个，比如高富帅需要同时交多个女朋友。方法的返回值是剩余的坑的数量，如果数量小于0，执行AbstractQueuedSynchronizer这个类的doAcquireSharedInterruptibly方法。
/**
* Acquires in shared interruptible mode.
* @param arg the acquire argument
*/
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这个方法的逻辑与独占模式下的逻辑差不多，可以看看之前讲Condition的那篇，出门一路左拐。当所有的坑都被占着的时候，再来的线程都会被封装成节点，添加到等待的队列里面去。不同的是，这里的节点都是共享模式，而共享模式是实现多个坑同时提供服务的核心。
再来看看坑的释放，从release方法进去，核心逻辑在tryReleaseShared方法：
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
CAS、无限循环，熟悉的配方，熟悉的味道。同获取一样，这里也可以一次释放多个坑。然而，这里考虑到了next小于current的情况，我是绞尽脑汁也没想出来。传进来的releases一般都是大于0的整数（大部分情况下就是1），最终还是会造成next小于current，实在是想不出来，而且还是抛出Error。但是这种情况，通过代码可以精确的再现。好吧，是在下输了。如果读者中有高人，请指点一二，不胜感激！！！
前面这么多都只是分析了非公平模式下的处理逻辑，而公平模式下的逻辑多了一个判断，就是看看前面还有没有线程在等待（节点有没有前驱）。具体的细节，希望读者自己玩味。
最后总结一下：所有的并发核心控制逻辑都在AbstractQueuedSynchronizer这个类中，只有理解了这个类的设计思路，才能真正理解衍生出来的工具类的实现原理。
