聊聊Semaphore 信号量源码分析-信号量原语

[[422207]]

本文转载自微信公众号「运维开发故事」，作者老郑。转载本文请联系运维开发故事公众号。

概述

Semaphore 信号量，信号量维护了一组许可。如果有必要每个采集模块都会阻塞，直到有许可可用。然后获取许可证。每次发布都会添加一个许可证，可能会释放一个阻塞资源。但是，没有使用实际的许可对象;信号量可用数量的计数，并且进行操作。信号量通常可以用于限制访问某些(物理或者逻辑)资源的线程数。例如下面是一个使用信号量控制对线程池访问。

class Pool { 
  private static final int MAX_AVAILABLE = 100; 
  private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true); 
 
  public Object getItem() throws InterruptedException { 
    available.acquire(); 
    return getNextAvailableItem(); 
  } 
 
  public void putItem(Object x) { 
    if (markAsUnused(x)) 
      available.release(); 
  } 
 
  // Not a particularly efficient data structure; just for demo 
 
  protected Object[] items = ... whatever kinds of items being managed 
  protected boolean[] used = new boolean[MAX_AVAILABLE]; 
 
  protected synchronized Object getNextAvailableItem() { 
    for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) { 
      if (!used[i]) { 
         used[i] = true; 
         return items[i]; 
      } 
    } 
    return null; // not reached 
  } 
 
  protected synchronized boolean markAsUnused(Object item) { 
    for (int i = 0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) { 
      if (item == items[i]) { 
         if (used[i]) { 
           used[i] = false; 
           return true; 
         } else 
           return false; 
      } 
    } 
    return false; 
  } 
}

在获取项目之前，每个线程必须从信号量获取一个许可证，以确保项目可用。当线程处理完该项后，它将返回到池中，并向信号量返回一个许可证，允许另一个线程获取该项。请注意，在调用acquire时不会保持同步锁，因为这会阻止项目返回池。信号量封装了限制对池的访问所需的同步，与维护池本身一致性所需的任何同步分开。

初始化为1的信号量，其使用方式是最多只有一个可用的许可证，可以用作互斥锁。这通常被称为二进制信号量，因为它只有两个状态：一个许可证可用，或者零个许可证可用。以这种方式使用时，二进制信号量的属性(与许多java.util.concurrent.locks.Lock实现不同)是“锁”可以由所有者以外的线程释放(因为信号量没有所有权的概念)。这在某些特定的上下文中非常有用，例如死锁恢复。

此类的构造函数可以选择接受公平性参数。当设置为false时，此类不保证线程获取许可的顺序。特别是，允许bargging，也就是说，调用acquire的线程可以在一直在等待的线程之前分配一个许可证-从逻辑上讲，新线程将自己置于等待线程队列的头部。当公平性设置为true时，信号量保证选择调用任何acquire方法的线程，以按照其调用这些方法的处理顺序(先进先出;先进先出)。请注意，FIFO排序必然适用于这些方法中的特定内部执行点。因此，一个线程可以在另一个线程之前调用acquire，但在另一个线程之后到达排序点，类似地，从方法返回时也是如此。还请注意，untimed tryAcquire方法不支持公平性设置，但将接受任何可用的许可。

通常，用于控制资源访问的信号量应该初始化为公平，以确保没有线程因访问资源而耗尽。当将信号量用于其他类型的同步控制时，非公平排序的吞吐量优势往往超过公平性考虑。

此类还提供了方便的方法，可以一次获取和发布多个许可证。当使用这些方法时，如果没有将公平设置为真，则要小心无限期延迟的风险增加。

内存一致性影响：在调用“release”方法(如release())之前的线程中的操作发生在另一个线程中成功的“acquire”方法(如acquire()之后的操作)之前。

原理分析

Semaphore 信号量，是控制并发的有效手段。它底层通过 AQS 实现。如下图所示：

构造方法

Semaphore 构造方法有两个 Semaphore(int permits) 和 Semaphore(int permits, boolean fair) 后者有两个参数：第一个参数是许可数量初始化，第二个参数定义信号量是否公平锁同步(默认为非公平)。

public Semaphore(int permits) { 
    sync = new NonfairSync(permits); 
} 
 
 
public Semaphore(int permits, boolean fair) { 
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); 
}

acquire 方法

acquire 方法可以为理解获取许可，如果存在剩余许可那么就可以进入后续代码块，如果没有获取线程进入阻塞。在共享模式下获取，如果中断将中止。通过首先检查中断状态，然后调用至少一次tryAcquireShared，并在成功时返回来实现。否则线程将排队，可能会重复阻塞和取消阻塞，调用tryAcquireShared，直到成功或线程中断。

release 方法

acquire 方法可以为理解释放许可，其他等待许可的线程进入资源竞争阶段。然后去查找等待队列队头有效的等待节点进行唤醒。

整体流程

Semaphore 信号量原理.png

举个例子

场景描述

对于控制流量，或者控制并发我们可以使用 Semaphore 信号量来完成。例子：有100 个人需要过桥，但是桥上最多同时能够承受 5 个人的重量。如果我们需要有序的过桥那么就可以采用信号量的方式来控制。

初始化 5 个许可。

上桥之前先去获取许可，如果有剩余许可就上桥。

如果没有许可，就等待许可。

image.png

模拟代码

首先定义桥对象，入下所示：

public class Bridge { 
 
    private String name; 
 
    private String address; 
 
    private Integer max; 
 
    public String getName() { 
        return name; 
    } 
 
    public void setName(String name) { 
        this.name = name; 
    } 
 
    public String getAddress() { 
        return address; 
    } 
 
    public void setAddress(String address) { 
        this.address = address; 
    } 
 
    public Integer getMax() { 
        return max; 
    } 
 
    public void setMax(Integer max) { 
        this.max = max; 
    } 
}

然后定义迁徙者对象，就是过桥的人，然后他有个动作就是过桥。代码如下所示。

public class Migrator { 
 
    private String name; 
 
    public void gapBridge() { 
        System.out.println("Migrator: " + this.name + ", time:" + System.currentTimeMillis()); 
    } 
 
    public String getName() { 
        return name; 
    } 
 
    public void setName(String name) { 
        this.name = name; 
    } 
}

调用代码如下：

public class MainTest { 
 
    public static void main(String[] args) { 
        Bridge bridge = new Bridge(); 
        bridge.setAddress("云南"); 
        bridge.setName("XX 桥"); 
        bridge.setMax(5); 
 
        Semaphore semaphore = new Semaphore(bridge.getMax()); 
        for (int i=0; i< 100; i++) { 
            int idx = i; 
            new Thread(()-> { 
                try { 
                    Migrator migrator = new Migrator(); 
                    migrator.setName("name-" + idx); 
                    semaphore.acquire(); 
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
                    migrator.gapBridge(); 
                    System.out.println("name " + migrator.getName() + " 通过"); 
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                } finally { 
                    semaphore.release(); 
                } 
            }).start(); 
        } 
    } 
}

输出日志如下：我们可以看到刚开始的时候有 5 个线程获取到 "许可" 几乎同时过桥，后面逐渐就是释放一个许可，另外一个线程继续执行。

Migrator: name-7, time:1630495912011 
name name-7 通过 
Migrator: name-2, time:1630495912011 
name name-2 通过 
Migrator: name-4, time:1630495912011 
Migrator: name-8, time:1630495912011 
Migrator: name-3, time:1630495912011 
name name-3 通过 
name name-8 通过 
name name-4 通过 
Migrator: name-5, time:1630495913012 
name name-5 通过 
Migrator: name-0, time:1630495913012 
name name-0 通过 
Migrator: name-6, time:1630495913013

参考文档

https://www.cnblogs.com/leesf456/p/5414778.html