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java同步系列之Semaphore源码解析

来源:本站原创 浏览:24次 时间:2023-01-24

问题

(1)Semaphore是什么?

(2)Semaphore具有哪些特性?

(3)Semaphore通常使用在什么场景中?

(4)Semaphore的许可次数是否可以动态增减?

(5)Semaphore如何实现限流?

简介

Semaphore,信号量,它保存了一系列的许可(permits),每次调用acquire()都将消耗一个许可,每次调用release()都将归还一个许可。

特性

Semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上,也就是常说的限流。

下面我们一起来学习Java中Semaphore是如何实现的。

类结构



Semaphore中包含了一个实现了AQS的同步器Sync,以及它的两个子类FairSync和NonFairSync,这说明Semaphore也是区分公平模式和非公平模式的。

源码分析

基于之前对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的分析,这篇文章相对来说比较简单,之前讲过的一些方法将直接略过,有兴趣的可以拉到文章底部查看之前的文章。

内部类Sync
// java.util.concurrent.Semaphore.Syncabstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L; // 构造方法,传入许可次数,放入state中 Sync(int permits) {        setState(permits); } // 获取许可次数 final int getPermits() { return getState(); } // 非公平模式尝试获取许可 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int available = getState(); // 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可 int remaining = available - acquires; // 如果剩余许可小于0了则直接返回 // 如果剩余许可不小于0,则尝试原子更新state的值,成功了返回剩余许可 if (remaining < 0 ||                compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } } // 释放许可 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 加上这次释放的许可 int next = current + releases; // 检测溢出 if (next < current) // overflow throw new Error("Maximum permit count exceeded"); // 如果原子更新state的值成功,就说明释放许可成功,则返回true if (compareAndSetState(current, next)) return true; } } // 减少许可 final void reducePermits(int reductions) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 减去将要减少的许可 int next = current - reductions; // 检测举出 if (next > current) // underflow throw new Error("Permit count underflow"); // 原子更新state的值,成功了返回true if (compareAndSetState(current, next)) return; } } // 销毁许可 final int drainPermits() { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 如果为0,直接返回 // 如果不为0,把state原子更新为0 if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0)) return current; } }}


通过Sync的几个实现方法,我们获取到以下几点信息:

(1)许可是在构造方法时传入的;

(2)许可存放在状态变量state中;

(3)尝试获取一个许可的时候,则state的值减1;

(4)当state的值为0的时候,则无法再获取许可;

(5)释放一个许可的时候,则state的值加1;

(6)许可的个数可以动态改变;

内部类NonfairSync
// java.util.concurrent.Semaphore.NonfairSyncstatic final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L; // 构造方法,调用父类的构造方法 NonfairSync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可,调用父类的nonfairTryAcquireShared()方法 protected int tryAcquireShared(int acquires) { return nonfairTryAcquireShared(acquires); } }


非公平模式下,直接调用父类的nonfairTryAcquireShared()尝试获取许可。

内部类FairSync
// java.util.concurrent.Semaphore.FairSyncstatic final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L; // 构造方法,调用父类的构造方法 FairSync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可 protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 公平模式需要检测是否前面有排队的 // 如果有排队的直接返回失败 if (hasQueuedPredecessors()) return -1; // 没有排队的再尝试更新state的值 int available = getState(); int remaining = available - acquires; if (remaining < 0 ||                compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }}


公平模式下,先检测前面是否有排队的,如果有排队的则获取许可失败,进入队列排队,否则尝试原子更新state的值。

构造方法
// 构造方法,创建时要传入许可次数,默认使用非公平模式public Semaphore(int permits) {    sync = new NonfairSync(permits);}// 构造方法,需要传入许可次数,及是否公平模式public Semaphore(int permits, boolean fair) {    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);}


创建Semaphore时需要传入许可次数。

Semaphore默认也是非公平模式,但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。

下面的方法在学习过前面的内容看来都比较简单,彤哥这里只列举Semaphore支持的一些功能了。

以下的方法都是针对非公平模式来描述。

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


获取一个许可,默认使用的是可中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入AQS的队列中排队。

acquireUninterruptibly()方法
public void acquireUninterruptibly() {    sync.acquireShared(1);}


获取一个许可,非中断方式,如果尝试获取许可失败,会进入AQS的队列中排队。

tryAcquire()方法
public boolean tryAcquire() { return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;}


尝试获取一个许可,使用Sync的非公平模式尝试获取许可方法,不论是否获取到许可都返回,只尝试一次,不会进入队列排队。

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)方法
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));}


尝试获取一个许可,先尝试一次获取许可,如果失败则会等待timeout时间,这段时间内都没有获取到许可,则返回false,否则返回true;

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


释放一个许可,释放一个许可时state的值会加1,并且会唤醒下一个等待获取许可的线程。

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


一次获取多个许可,可中断方式。

acquireUninterruptibly(int permits)方法
public void acquireUninterruptibly(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();    sync.acquireShared(permits);}


一次获取多个许可,非中断方式。

tryAcquire(int permits)方法
public boolean tryAcquire(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;}


一次尝试获取多个许可,只尝试一次。

tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)方法
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));}


尝试获取多个许可,并会等待timeout时间,这段时间没获取到许可则返回false,否则返回true。

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


一次释放多个许可,state的值会相应增加permits的数量。

availablePermits()方法
public int availablePermits() { return sync.getPermits();}


获取可用的许可次数。

drainPermits()方法
public int drainPermits() { return sync.drainPermits();}


销毁当前可用的许可次数,对于已经获取的许可没有影响,会把当前剩余的许可全部销毁。

reducePermits(int reduction)方法
protected void reducePermits(int reduction) { if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();    sync.reducePermits(reduction);}


减少许可的次数。

总结

(1)Semaphore,也叫信号量,通常用于控制同一时刻对共享资源的访问上,也就是限流场景;

(2)Semaphore的内部实现是基于AQS的共享锁来实现的;

(3)Semaphore初始化的时候需要指定许可的次数,许可的次数是存储在state中;

(4)获取一个许可时,则state值减1;

(5)释放一个许可时,则state值加1;

(6)可以动态减少n个许可;

(7)可以动态增加n个许可吗?

彩蛋

(1)如何动态增加n个许可?

答:调用release(int permits)即可。我们知道释放许可的时候state的值会相应增加,再回头看看释放许可的源码,发现与ReentrantLock的释放锁还是有点区别的,Semaphore释放许可的时候并不会检查当前线程有没有获取过许可,所以可以调用释放许可的方法动态增加一些许可。

(2)如何实现限流?

答:限流,即在流量突然增大的时候,上层要能够限制住突然的大流量对下游服务的冲击,在分布式系统中限流一般做在网关层,当然在个别功能中也可以自己简单地来限流,比如秒杀场景,假如只有10个商品需要秒杀,那么,服务本身可以限制同时只进来100个请求,其它请求全部作废,这样服务的压力也不会太大。

使用Semaphore就可以直接针对这个功能来限流,以下是代码实现:

public class SemaphoreTest { public static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(100); public static final AtomicInteger failCount = new AtomicInteger(0); public static final AtomicInteger successCount = new AtomicInteger(0); public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 1000; i++) { new Thread(()->seckill()).start(); } } public static boolean seckill() { if (!SEMAPHORE.tryAcquire()) { System.out.println("no permits, count="+failCount.incrementAndGet()); return false; } try { // 处理业务逻辑 Thread.sleep(2000); System.out.println("seckill success, count="+successCount.incrementAndGet()); } catch (InterruptedException e) { // todo 处理异常            e.printStackTrace(); } finally {            SEMAPHORE.release(); } return true; }}


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