防止多线程同时操作一个资源，不能不学的JUC工具类: Semaphore详解

前言

在工作中我们经常需要考虑对资源的使用，避免资源被过度使用或者资源没有被利用到而造成的问题，那我们该如何去限制访问某些资源的线程数目，从而对完成资源的保护。

1. 限制多线程同时操作的方式

concurrent包为我们提供了多种防止多线程同时操作一个资源的方法

volatile
原子类
Synchronized和Lock
Semaphore

2. Semaphore是什么？

Semaphore被翻译为计数信号量，通常使用进行并发线程数量的限制，保证多个线程能够合理的使用资源。用大白话理解就是理解为红路灯。
官方的翻译：计数信号量。
从概念上讲，信号量维护一组许可证。 如有必要，每个acquire块都将阻塞直到获得许可为止，然后再获取它。 每个release添加一个许可证，从而有可能释放阻塞的获取者。 但是，没有使用实际的许可对象。 Semaphore只是保持可用数量的计数并采取相应措施。

3. 应用场景

公共资源有限的地方，我们就需要考虑限制的问题，防止过度的操作，带来的不良影响
例如：数据库连接

4. 如何使用Semaphore

没有进行控制的代码

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
    IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作");

    }));

    executorService.shutdown();
}

输出结果

pool-1-thread-1gogogo
pool-1-thread-3gogogo
pool-1-thread-4gogogo
pool-1-thread-2gogogo
pool-1-thread-5gogogo
pool-1-thread-1正在操作
pool-1-thread-5正在操作
pool-1-thread-5释放操作
pool-1-thread-2正在操作
pool-1-thread-2释放操作
pool-1-thread-3正在操作
pool-1-thread-3释放操作
pool-1-thread-4正在操作
pool-1-thread-4释放操作
pool-1-thread-1释放操作

进行改造使用我们的并发工具Semaphore

private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1,false);

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);
    IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{
        try {
            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        semaphore.release();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作");

    }));

    executorService.shutdown();
}

输出结果

pool-1-thread-1gogogo
pool-1-thread-1正在操作
pool-1-thread-1释放操作
pool-1-thread-2gogogo
pool-1-thread-2正在操作
pool-1-thread-2释放操作
pool-1-thread-3gogogo
pool-1-thread-3正在操作
pool-1-thread-3释放操作
pool-1-thread-4gogogo
pool-1-thread-4正在操作
pool-1-thread-4释放操作
pool-1-thread-5gogogo
pool-1-thread-5正在操作
pool-1-thread-5释放操作

我们在Semaphore的初始化参数中，设置了允许并发线程数量为1,表示只允许1个线程通过，当线程拿到许可证的时候进行执行，线程完成之后进行许可证的归还，给下一个进来的线程使用，直到任务结束。

5. Semaphore的主要方法和核心参数

核心参数

构造方法

代码如下：
默认是非公平锁，只要传入并发线程数量

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

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

核心方法

//从此信号量获取许可，先休眠，直到获得可用线程或者被中断
void acquire() throws InterruptedException

//中断继续
void acquireUninterruptibly()

//从此信号量获取设定线程数许可，先休眠，直到获得可用线程或者被中断
void acquire(int permits)

//尝试获取许可，如果能够获取成功则立即返回true，否则，则返回false
boolean tryAcquire()

//和上面一样，设置了等待最长时间
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

//释放许可
void release()

//返回当前可用的许可证数
int availablePermits()

//等待许可证数
int getQueueLength()

//返回正在等待线程的合集
Collection<Thread> getQueuedThreads()

6. Semaphore的原理

实现的核心还是AQS的共享模式

Sync extends AbstractQueuedSynchronizer

acquire()

//以共享模式获取，如果中断则中止.
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
            //1. 通过首先检查中断状态，中断返回异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
        // 2. 以共享模式获取，获取到了锁，接下去，执行，没有就排队
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

//非公平模式共享锁获取
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点的判断，获取不到返回-1
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        //Semaphore用AQS的state变量的值代表可用许可数    
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        //如果剩余许可数小于0或者CAS将当前可用许可数设置为剩余许可数成功，则返回成功许可数
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
        //加入等待队列
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        //自旋过程中的退出条件是是当前节点的前驱节点是头结点并且tryAcquireShared(arg)
        //返回值大于等于0即能成功获得同步状态
        for (;;) {
            //获取前驱节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                //争夺锁
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    //先把 head 给占了，然后唤醒队列中其他的线程
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        //失败的话，取消状态清除该节点
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

//设置head的值，完成初始化工作
private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

7. Semaphore需要注意的问题

release()不能随便调用，调用一次就增加一次

permits the initial number of permits available. This value may be negative, in which case releases must occur before any acquires will be granted.

public class SemaphoreTest {
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1,false);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{
            try {
                System.out.println("after:" + semaphore.availablePermits());
                //semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo");
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
                System.out.println("before:" + semaphore.availablePermits());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作");
}
            semaphore.release();
            System.out.println("before:" + semaphore.availablePermits());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作");

        }));

        executorService.shutdown();
    }
}
after:1
pool-1-thread-1gogogo
pool-1-thread-1正在操作
before:2
pool-1-thread-1释放操作
after:2
pool-1-thread-1gogogo
pool-1-thread-1正在操作
before:3
pool-1-thread-1释放操作
after:3
pool-1-thread-1gogogo
pool-1-thread-1正在操作
before:4
pool-1-thread-1释放操作

信号量泄露，指的是申请了但是没有释放，这会导致进入临界区的线程数量就会越来越少，随着时间的推移，最后许可证数量不够用，会导致线程卡死。

建议：在操作的时候，我们尽可能在finally中进行 semaphore.release() 的操作。

总结

以上就是关于信号量的全部内容，总体看来，用法比较简单，在实际的工作中需要对线程进行控制的场景，我们可以将他作为一个方案。