Java 7之多线程第10篇 - Semaphore(一)

"公平信号量"和"非公平信号量"的释放信号量的机制是一样的！不同的是它们获取信号量的机制：线程在尝试获取信号量许可时，对于公平信号量而言，如果当前线程不在队列的头部，则排队等候；而对于非公平信号量而言，无论当前线程是不是在队列的头部，它都会直接获取信号量。该差异具体的体现在，它们的tryAcquireShared()函数的实现不同。

如果要使用Semaphore对象时，首先通过构造函数取得对象，如下：

    public Semaphore(int permits) {  // 构造函数默认使用非公平的方式获取
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    public Semaphore(int permits, boolean fair) { // 构造函数中指定获取的方式
        sync = fair   new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

然后就可以调用Semaphore对象进行信号量的获取了，如下：

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


public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

1、公平信号量的获取

首先来看公平信号量的获取，方法如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)   throws InterruptedException {
    // 如果线程是中断状态，则抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 尝试获取共享锁；获取成功则直接返回，获取失败，则通过doAcquireSharedInterruptibly()获取。
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

如果tryAcquireShared()方法获取失败，通常会返回一个小于0的数量。Semaphore中公平锁对应的tryAcquireShared()实现如下：

 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                // 判断当前线程是不是队列中的第一个线程。若是的话，则返回-1，跳出死循环
                if (hasQueuedPredecessors())
                    return -1;
                int available = getState();  // 获取当前可用的信号量的许可数
                // 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;
                // 如果剩余的信号量许可数>=0”，则设置可以获得的信号量许可数为remaining。
                if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

如上方法获取失败后，调用doAcquireSharedInterruptibly()方法，源码如下：

private void doAcquireSharedInterruptibly(long arg)   throws InterruptedException {
    // 创建当前线程的Node节点，且Node中记录的锁是共享锁类型；并将该节点添加到队列末尾。
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            // 获取上一个节点，如果上一节点是队列的表头，则尝试获取共享锁
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                long r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 当前线程一直等待，直到获取到共享锁。
            // 如果线程在等待过程中被中断过，则再次中断该线程(还原之前的中断状态)。
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { // 非公平方式获取共享锁的一定量许可
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining))// 如果remaining>=0，则通过CAS方式更新当前许可的数量
                    return remaining;
            }
        }

判断当前剩余的信号量许可数，返回小于0的数表示获取失败，大于等于0表示成功。

非公平和公平主要体现在tryAcquireShared()方法的实现上。

（1）非公平获取 如果当前可用的信号量许可大于等于请求数，则通过CAS修改剩余许可量并返回，如果小于的话，返回小于0的数，表示获取失败。

（2）公平获取 在获取时还会判断。如果当前线程不在队列的头部，则返回-1，排队等候；然后再去判断信号量许可。

3、公平信号量的释放

调用如下方法来释放信号量许可，如下：

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

public void release(int permits) {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.releaseShared(permits);
}

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

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        // 获取可以获得的信号量的许可数
        int current = getState();
        // 获取释放releases个信号量许可之后，剩余的信号量许可数
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // 设置可以获得的信号量的许可数为next
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}