11-J.U.C之并发工具类：Semphore

1. 简介

       信号量Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器，和CountDownLatch一样，其本质上是一个“共享锁”。

       Semaphore，在API是这么介绍的：

       一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个acquire()，然后再获取该许可。每个 release()添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。

       Semaphore通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。

       下面我们就一个停车场的简单例子来阐述Semaphore：

       为了简单起见我们假设停车场仅有5个停车位，一开始停车场没有车辆所有车位全部空着，然后先后到来三辆车，停车场车位够，安排进去停车，然后又来三辆，这个时候由于只有两个停车位，所有只能停两辆，其余一辆必须在外面候着，直到停车场有空车位，当然以后每来一辆都需要在外面候着。当停车场有车开出去，里面有空位了，则安排一辆车进去（至于是哪辆要看选择的机制是公平还是非公平）。

       从程序角度看，停车场就相当于信号量Semaphore，其中许可数为5，车辆就相对线程。当来一辆车时，许可数就会减1，当停车场没有车位了（许可数 == 0 ），其他来的车辆需要在外面等候着。如果有一辆车开出停车场，许可数 + 1，然后放进来一辆车。

       信号量Semaphore是一个非负整数（>=0）。当一个线程想要访问某个共享资源时，它必须要先获取Semaphore，当Semaphore >0时，获取该资源并使Semaphore – 1。如果Semaphore = 0，则表示全部的共享资源已经被其他线程全部占用，线程必须要等待其他线程释放资源。当线程释放资源时，Semaphore则+1，并唤醒等待的线程。

2. 实现分析

       Semaphore结构如下：

       从上图可以看出Semaphore内部包含公平锁（FairSync）和非公平锁（NonfairSync），继承内部类Sync，其中Sync继承AQS。

       Semaphore提供了两个构造函数：

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

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

       1、Semaphore(int permits) ：创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。

       2、Semaphore(int permits, boolean fair) ：创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。

       Semaphore默认选择非公平锁。当信号量Semaphore = 1时，它可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。

2.1 信号量获取

       Semaphore提供了acquire()方法来获取一个许可。

	public void acquire() throws InterruptedException {
	    sync.acquireSharedInterruptibly(1);
	}

       内部调用AQS的acquireSharedInterruptibly(int arg)，该方法以共享模式获取同步状态：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

       在acquireSharedInterruptibly(int arg)中，tryAcquireShared(int arg)由子类来实现，对于Semaphore而言，如果我们选择非公平模式，则调用NonfairSync的tryAcquireShared(intarg)方法，否则调用FairSync的tryAcquireShared(int arg)方法。

2.1.1 公平锁

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        //判断该线程是否位于CLH队列的列头
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        //获取当前的信号量许可
        int available = getState();

        //设置“获得acquires个信号量许可之后，剩余的信号量许可数”
        int remaining = available - acquires;

        //CAS设置信号量
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

2.1.2 非公平锁

       对于非公平而言，因为它不需要判断当前线程是否位于CLH同步队列列头，所以相对而言会简单些。

	protected int tryAcquireShared(int acquires) {
	    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
	}
	
	final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
	    for (;;) {
	        int available = getState();
	        int remaining = available - acquires;
	        if (remaining < 0 ||
	            compareAndSetState(available, remaining))
	            return remaining;
	    }
	}

2.2 信号量释放

       获取了许可，当用完之后就需要释放，Semaphore提供release()来释放许可。

	public void release() {
	    sync.releaseShared(1);
	}

       内部调用AQS的releaseShared(int arg)：

	public final boolean releaseShared(int arg) {
	    if (tryReleaseShared(arg)) {
	        doReleaseShared();
	        return true;
	    }
	    return false;
	}

       releaseShared(int arg)调用Semaphore内部类Sync的tryReleaseShared(int arg)：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        //信号量的许可数 = 当前信号许可数 + 待释放的信号许可数
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        //设置可获取的信号许可数为next
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

3. 应用示例

       我们以停车为示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/4 9:40
 */
public class SemaphoreTest {

    static class Parking{
        //信号量
        private Semaphore semaphore;

        Parking(int count){
            semaphore = new Semaphore(count);
        }

        public void park(){
            try {
                //获取信号量
                semaphore.acquire();
                long time = (long) (Math.random() * 10);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场，停车" + time + "秒..." );
                Thread.sleep(time);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开出停车场...");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
        }
    }


    static class Car extends Thread {
        Parking parking ;

        Car(Parking parking){
            this.parking = parking;
        }

        @Override
        public void run() {
            parking.park();     //进入停车场
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        Parking parking = new Parking(3);

        for(int i = 0 ; i < 5 ; i++){
            new Car(parking).start();
        }
    }

}