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深入浅出 java Semaphore

发布时间:2023-08-14 10:38:28

Semaphore 是什么 Semaphore 也叫信号量,在 JDK1.5 被引入,可以用来控制同时访问特定资源的线程数量,通过协调各个线程,以保证合理的使用资源。


Semaphore 内部维护了一组虚拟的许可,许可的数量可以通过构造函数的参数指定。


访问特定资源前,必须使用 acquire 方法获得许可,如果许可数量为 0,该线程则一直阻塞,直到有可用许可。访问资源后,使用 release 释放许可。Semaphore 和 ReentrantLock 类似,获取许可有公平策略和非公平许可策略,默认情况下使用非公平策略。


应用场景 Semaphore 可以用来做流量分流,特别是对公共资源有限的场景,比如数据库连接。假设有这个的需求,读取几万个文件的数据到数据库中,由于文件读取是 IO 密集型任务,可以启动几十个线程并发读取,但是数据库连接数只有 10 个,这时就必须控制最多只有 10 个线程能够拿到数据库连接进行操作。这个时候,就可以使用 Semaphore 做流量控制。


public class SemaphoreTest {private static final int COUNT = 40;private static Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(COUNT);private static Semaphore semaphore = new Semaphore(10);public static void main(String[] args) {for (int i=0; i< COUNT; i++) {executor.execute(new ThreadTest.Task());}}



实现原理本文代码源于 JDK1.8Semaphore 实现主要基于 java 同步器 AQS,不熟悉的可以移步这里 深入浅出 java 同步器。
内部使用 state 表示许可数量。非公平策略acquire 实现,核心代码如下:
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}}acquires
值默认为 1,表示尝试获取 1 个许可,remaining 代表剩余的许可数。
如果 remaining < 0,表示目前没有剩余的许可。当前线程进入 AQS 中的 doAcquireSharedInterruptibly 方法等待可用许可并挂起,直到被唤醒。
release 实现,核心代码如下
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {for (;;) {int current = getState();int next = current + releases;if (next < current) // overflowthrow new Error("Maximum permit count exceeded");if (compareAndSetState(current, next))return true;}}releases
值默认为 1,表示尝试释放 1 个许可,next 代表如果许可释放成功,可用许可的数量。

通过 unsafe.compareAndSwapInt 修改 state 的值,确保同一时刻只有一个线程可以释放成功。许可释放成功,当前线程进入到 AQS 的 doReleaseShared 方法,唤醒队列中等待许可的线程。也许有人会有疑问,非公平性体现在哪里?当一个线程 A 执行 acquire 方法时,会直接尝试获取许可,而不管同一时刻阻塞队列中是否有线程也在等待许可,如果恰好有线程 C 执行 release 释放许可,并唤醒阻塞队列中第一个等待的线程 B,这个时候,线程 A 和线程 B 是共同竞争可用许可,不公平性就是这么体现出来的,线程 A 一点时间都没等待就和线程 B 同等对待。


公平策略


acquire 实现,核心代码如下:

protected int tryAcquireShared(int acquires) {for (;;) {if (hasQueuedPredecessors())return -1;int available = getState();int remaining = available - acquires;if (remaining < 0 ||compareAndSetState(available, remaining))return remaining;}}acquires

值默认为 1,表示尝试获取 1 个许可,remaining 代表剩余的许可数。可以看到和非公平策略相比,就多了一个对阻塞队列的检查。


如果阻塞队列没有等待的线程,则参与许可的竞争。否则直接插入到阻塞队列尾节点并挂起,等待被唤醒。release 实现,和非公平策略一样。


以上为本次全部分享内容

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