Java同步系列之Semaphore源码解析(十一)

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## 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](https://gitee.com/alan-tang-tt/yuan/raw/master/死磕%20java同步系列/resource/Semaphore.png) 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 // java.util.concurrent.Semaphore.Sync abstract 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 // java.util.concurrent.Semaphore.NonfairSync static 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 // java.util.concurrent.Semaphore.FairSync static 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 ```java // 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java 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 ```java public int availablePermits() { return sync.getPermits(); } ``` 获取可用的许可次数。 ### drainPermits()方法 ```java 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 ```java 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: ```java 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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