Semaphore 的使用与源码解析
使用
信号量（Semaphore）允许多个线程同时访问临界区资源，而 ReentrantLock 这类锁同时只允许一个线程访问临界区资源。
Semaphore 就是共享锁，它的构造方法可以传一个许可数 permits，表示临界区资源数量，多少个资源同时也最多只能由多少个线程来访问。当 permits 等于 1 时，Semaphore 就等价于 ReentrantLock 这类互斥锁。
代码示例：
@Test
public void test() throws InterruptedException {
// 定义一个线程池
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
int userNuber = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(userNuber);
// 三个许可，表示资源总数，这里表示只有三本书籍，所以最多只能由三个人借阅，即最多只能有三个线程获取到锁
int permits = 3;
Semaphore semaphore = new Semaphore(permits);
IntStream.range(0, userNuber).forEach(i -> {
executor.submit(() -> {
try {
System.out.println("学生" + i + "等待借阅书籍......");
// 获取一个许可（加锁）
semaphore.acquire(1);
System.out.println("学生" + i + "借阅到了一个本书籍，当前还剩余" + semaphore.availablePermits() + "本书籍");
Thread.sleep(i * 500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放一个许可（解锁）
semaphore.release(1);
System.out.println("学生" + i + "归还了一个本书籍，当前还剩余" + semaphore.availablePermits() + "本书籍");
countDownLatch.countDown();
}
});
});
countDownLatch.await();
executor.shutdown();
/**
* 执行结果：
*
* 学生0等待借阅书籍......
* 学生0借阅到了一个本书籍，当前还剩余2本书籍
* 学生1等待借阅书籍......
* 学生1借阅到了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生2等待借阅书籍......
* 学生2借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生0归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生3等待借阅书籍......
* 学生3借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生1归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生4等待借阅书籍......
* 学生4借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生2归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生5等待借阅书籍......
* 学生5借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生3归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生6等待借阅书籍......
* 学生6借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生4归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生7等待借阅书籍......
* 学生7借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生5归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生8等待借阅书籍......
* 学生8借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生6归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生9等待借阅书籍......
* 学生9借阅到了一个本书籍，当前还剩余0本书籍
* 学生7归还了一个本书籍，当前还剩余1本书籍
* 学生8归还了一个本书籍，当前还剩余2本书籍
* 学生9归还了一个本书籍，当前还剩余3本书籍
*/
}
源码解析
Sync 内部类
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
// Semaphore 构造函数的传参 permits 赋值给 state
Sync(int permits) {
setState(permits);
}
// 获取许可数（即 state 的值）
final int getPermits() {
return getState();
}
// 非公平锁方式获取共享锁
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 当前可用的许可数
int available = getState();
// 当前申请锁后剩余的许可数
int remaining = available - acquires;
// 如果剩余许可数小于 0 直接返回剩余许可数
// 如果剩余许可数大于 0，将其设置为 state，如果成功，则返回剩余许可数
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
// 释放锁
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
// 当前可用的许可数
int current = getState();
// （释放锁后）增加许可数
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
// 将增加后的许可数赋值给 state，成功则返回，否则自旋重试
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
// 减少许可数
final void reducePermits(int reductions) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current - reductions;
if (next > current) // underflow
throw new Error("Permit count underflow");
if (compareAndSetState(current, next))
return;
}
}
// 清空许可数
final int drainPermits() {
for (;;) {
// 当前许可数
int current = getState();
// 将 state 设置为 0
if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
// 返回当前许可数
return current;
}
}
}
NonfairSync 内部类
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L;
NonfairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
}
FairSync 内部类
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
// 如果当前线程节点还有前序节点，则获取锁失败
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}
构造函数
// 默认使用非公平锁
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
// permits 表示同时允许访问临界区资源的线程数
// fair 表示使用公平锁实现还是非公平锁实现
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
acquire
// 可中断地阻塞获取锁
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
acquireUninterruptibly
// 不可中断地阻塞获取锁
public void acquireUninterruptibly() {
sync.acquireShared(1);
}
tryAcquire
public boolean tryAcquire() {
// nonfairTryAcquireShared 返回剩余可用许可数
// 剩余可用许可数大于等于 0，表示可以获取锁
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
release
// 释放锁（一个许可）
public void release() {
sync.releaseShared(1);
}
acquire
// 一次获取 permits 个许可（可中断，阻塞获取）
public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}
acquireUninterruptibly
// 一次获取 permits 个许可（不可中断、阻塞获取）
public void acquireUninterruptibly(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.acquireShared(permits);
}
tryAcquire
// 一次获取 permits 个许可（可中断，非阻塞获取）
public boolean tryAcquire(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}
// 一次获取 permits 个许可（可中断，非阻塞获取、超时可退出）
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}
release
// 释放多个许可
public void release(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
sync.releaseShared(permits);
}
