死磕 java同步系列之Semaphore源码解析
问题
(1)semaphore是什么?
(2)semaphore具有哪些特性?
(3)semaphore通常使用在什么场景中?
(4)semaphore的许可次数是否可以动态增减?
(5)semaphore如何实现限流?
简介
semaphore,信号量,它保存了一系列的许可(permits),每次调用acquire()都将消耗一个许可,每次调用release()都将归还一个许可。
特性
semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上,也就是常说的限流。
下面我们一起来学习java中semaphore是如何实现的。
类结构
semaphore中包含了一个实现了aqs的同步器sync,以及它的两个子类fairsync和nonfairsync,这说明semaphore也是区分公平模式和非公平模式的。
源码分析
基于之前对于reentrantlock和reentrantreadwritelock的分析,这篇文章相对来说比较简单,之前讲过的一些方法将直接略过,有兴趣的可以拉到文章底部查看之前的文章。
内部类sync
// java.util.concurrent.semaphore.sync abstract static class sync extends abstractqueuedsynchronizer { private static final long serialversionuid = 1192457210091910933l; // 构造方法,传入许可次数,放入state中 sync(int permits) { setstate(permits); } // 获取许可次数 final int getpermits() { return getstate(); } // 非公平模式尝试获取许可 final int nonfairtryacquireshared(int acquires) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int available = getstate(); // 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可 int remaining = available - acquires; // 如果剩余许可小于0了则直接返回 // 如果剩余许可不小于0,则尝试原子更新state的值,成功了返回剩余许可 if (remaining < 0 || compareandsetstate(available, remaining)) return remaining; } } // 释放许可 protected final boolean tryreleaseshared(int releases) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getstate(); // 加上这次释放的许可 int next = current + releases; // 检测溢出 if (next < current) // overflow throw new error("maximum permit count exceeded"); // 如果原子更新state的值成功,就说明释放许可成功,则返回true if (compareandsetstate(current, next)) return true; } } // 减少许可 final void reducepermits(int reductions) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getstate(); // 减去将要减少的许可 int next = current - reductions; // 检测举出 if (next > current) // underflow throw new error("permit count underflow"); // 原子更新state的值,成功了返回true if (compareandsetstate(current, next)) return; } } // 销毁许可 final int drainpermits() { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getstate(); // 如果为0,直接返回 // 如果不为0,把state原子更新为0 if (current == 0 || compareandsetstate(current, 0)) return current; } } }
通过sync的几个实现方法,我们获取到以下几点信息:
(1)许可是在构造方法时传入的;
(2)许可存放在状态变量state中;
(3)尝试获取一个许可的时候,则state的值减1;
(4)当state的值为0的时候,则无法再获取许可;
(5)释放一个许可的时候,则state的值加1;
(6)许可的个数可以动态改变;
内部类nonfairsync
// java.util.concurrent.semaphore.nonfairsync static final class nonfairsync extends sync { private static final long serialversionuid = -2694183684443567898l; // 构造方法,调用父类的构造方法 nonfairsync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可,调用父类的nonfairtryacquireshared()方法 protected int tryacquireshared(int acquires) { return nonfairtryacquireshared(acquires); } }
非公平模式下,直接调用父类的nonfairtryacquireshared()尝试获取许可。
内部类fairsync
// java.util.concurrent.semaphore.fairsync static final class fairsync extends sync { private static final long serialversionuid = 2014338818796000944l; // 构造方法,调用父类的构造方法 fairsync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可 protected int tryacquireshared(int acquires) { for (;;) { // 公平模式需要检测是否前面有排队的 // 如果有排队的直接返回失败 if (hasqueuedpredecessors()) return -1; // 没有排队的再尝试更新state的值 int available = getstate(); int remaining = available - acquires; if (remaining < 0 || compareandsetstate(available, remaining)) return remaining; } } }
公平模式下,先检测前面是否有排队的,如果有排队的则获取许可失败,进入队列排队,否则尝试原子更新state的值。
构造方法
// 构造方法,创建时要传入许可次数,默认使用非公平模式 public semaphore(int permits) { sync = new nonfairsync(permits); } // 构造方法,需要传入许可次数,及是否公平模式 public semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new fairsync(permits) : new nonfairsync(permits); }
创建semaphore时需要传入许可次数。
semaphore默认也是非公平模式,但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。
下面的方法在学习过前面的内容看来都比较简单,彤哥这里只列举semaphore支持的一些功能了。
以下的方法都是针对非公平模式来描述。
acquire()方法
public void acquire() throws interruptedexception { sync.acquiresharedinterruptibly(1); }
获取一个许可,默认使用的是可中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入aqs的队列中排队。
acquireuninterruptibly()方法
public void acquireuninterruptibly() { sync.acquireshared(1); }
获取一个许可,非中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入aqs的队列中排队。
tryacquire()方法
public boolean tryacquire() { return sync.nonfairtryacquireshared(1) >= 0; }
尝试获取一个许可,使用sync的非公平模式尝试获取许可方法,不论是否获取到许可都返回,只尝试一次,不会进入队列排队。
tryacquire(long timeout, timeunit unit)方法
public boolean tryacquire(long timeout, timeunit unit) throws interruptedexception { return sync.tryacquiresharednanos(1, unit.tonanos(timeout)); }
尝试获取一个许可,先尝试一次获取许可,如果失败则会等待timeout时间,这段时间内都没有获取到许可,则返回false,否则返回true;
release()方法
public void release() { sync.releaseshared(1); }
释放一个许可,释放一个许可时state的值会加1,并且会唤醒下一个等待获取许可的线程。
acquire(int permits)方法
public void acquire(int permits) throws interruptedexception { if (permits < 0) throw new illegalargumentexception(); sync.acquiresharedinterruptibly(permits); }
一次获取多个许可,可中断方式。
acquireuninterruptibly(int permits)方法
public void acquireuninterruptibly(int permits) { if (permits < 0) throw new illegalargumentexception(); sync.acquireshared(permits); }
一次获取多个许可,非中断方式。
tryacquire(int permits)方法
public boolean tryacquire(int permits) { if (permits < 0) throw new illegalargumentexception(); return sync.nonfairtryacquireshared(permits) >= 0; }
一次尝试获取多个许可,只尝试一次。
tryacquire(int permits, long timeout, timeunit unit)方法
public boolean tryacquire(int permits, long timeout, timeunit unit) throws interruptedexception { if (permits < 0) throw new illegalargumentexception(); return sync.tryacquiresharednanos(permits, unit.tonanos(timeout)); }
尝试获取多个许可,并会等待timeout时间,这段时间没获取到许可则返回false,否则返回true。
release(int permits)方法
public void release(int permits) { if (permits < 0) throw new illegalargumentexception(); sync.releaseshared(permits); }
一次释放多个许可,state的值会相应增加permits的数量。
availablepermits()方法
public int availablepermits() { return sync.getpermits(); }
获取可用的许可次数。
drainpermits()方法
public int drainpermits() { return sync.drainpermits(); }
销毁当前可用的许可次数,对于已经获取的许可没有影响,会把当前剩余的许可全部销毁。
reducepermits(int reduction)方法
protected void reducepermits(int reduction) { if (reduction < 0) throw new illegalargumentexception(); sync.reducepermits(reduction); }
减少许可的次数。
总结
(1)semaphore,也叫信号量,通常用于控制同一时刻对共享资源的访问上,也就是限流场景;
(2)semaphore的内部实现是基于aqs的共享锁来实现的;
(3)semaphore初始化的时候需要指定许可的次数,许可的次数是存储在state中;
(4)获取一个许可时,则state值减1;
(5)释放一个许可时,则state值加1;
(6)可以动态减少n个许可;
(7)可以动态增加n个许可吗?
彩蛋
(1)如何动态增加n个许可?
答:调用release(int permits)即可。我们知道释放许可的时候state的值会相应增加,再回头看看释放许可的源码,发现与reentrantlock的释放锁还是有点区别的,semaphore释放许可的时候并不会检查当前线程有没有获取过许可,所以可以调用释放许可的方法动态增加一些许可。
(2)如何实现限流?
答:限流,即在流量突然增大的时候,上层要能够限制住突然的大流量对下游服务的冲击,在分布式系统中限流一般做在网关层,当然在个别功能中也可以自己简单地来限流,比如秒杀场景,假如只有10个商品需要秒杀,那么,服务本身可以限制同时只进来100个请求,其它请求全部作废,这样服务的压力也不会太大。
使用semaphore就可以直接针对这个功能来限流,以下是代码实现:
public class semaphoretest { public static final semaphore semaphore = new semaphore(100); public static final atomicinteger failcount = new atomicinteger(0); public static final atomicinteger successcount = new atomicinteger(0); public static void main(string[] args) { for (int i = 0; i < 1000; i++) { new thread(()->seckill()).start(); } } public static boolean seckill() { if (!semaphore.tryacquire()) { system.out.println("no permits, count="+failcount.incrementandget()); return false; } try { // 处理业务逻辑 thread.sleep(2000); system.out.println("seckill success, count="+successcount.incrementandget()); } catch (interruptedexception e) { // todo 处理异常 e.printstacktrace(); } finally { semaphore.release(); } return true; } }
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