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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