Semaphore的作用：限制线程并发的数量

位于 java.util.concurrent 下，

构造方法

    // 构造函数  代表同一时间，最多允许permits执行acquire() 和release() 之间的代码。

    public Semaphore(int permits) {

        sync = new NonfairSync(permits);

    }

    //False：表示非公平信号量，即线程启动的顺序与调用semaphore.acquire() 的顺序无关，也就是线程先启动了并不代表先获得 许可

　 　//True：公平信号量，即线程启动的顺序与调用semaphore.acquire() 的顺序有关，也就是先启动的线程优先获得许可

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {

        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);

    }

方法acquire(n) 的功能是每调用1次此方法，就消耗掉n个许可。
方法release(n) 的功能是每调用1次此方法，就动态添加n个许可。
方法acquireUnnterruptibly()作用是是等待进入acquire() 方法的线程不允许被中断。
方法availablePermits() 返回Semaphore对象中当前可以用的许可数。
方法drainPermits() 获取并返回所有的许可个数，并且将可用的许可重置为0
方法 getQueueLength() 的作用是取得等待的许可的线程个数
方法 hasQueueThreads() 的作用是判断有没有线程在等待这个许可
方法tryAcquire() 的作用是尝试获取1个许可。如果获取不到则返回false，通常与if语句结合使用，其具有无阻塞的特点。无阻塞的特点可以使不至于在同步处于一直持续等待的状态。
方法tryAcquire(n) 的作用是尝试获取n个许可，如果获取不到则返回false
方法tryAcquire(long timeout，TimeUnit unit)的作用是在指定的时间内尝试获取1个许可，如果获取不到则返回false
方法tryAcquire(int permits，long timeout，TimeUnit unit) 的作用是在指定的时间内尝试获取n 个许可，如果获取不到则返回false

使用：

多进路-多处理-多出路：允许多个线程同时处理任务

    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(4);

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            new Thread(new Runnable(){

                @Override

                public void run(){

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  正在运行");

                    try {

                        semaphore.acquire();// //请求获得许可，如果有可获得的许可则继续往下执行，许可数减1。否则进入阻塞状态

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入，并发数：" + (4-semaphore.availablePermits()));

                        Thread.sleep(3000);

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"即将离开，并发数：" + (4-semaphore.availablePermits()));

                        semaphore.release();//释放许可，许可数加1

                    }catch( Exception e){

                        e.printStackTrace();

                    } finally {

                    }

                }

            }).start();

        }

    }

运行结果：

Thread-1  正在运行

Thread-6  正在运行

Thread-7  正在运行

Thread-5  正在运行

Thread-3  正在运行

Thread-2  正在运行

Thread-4  正在运行

Thread-0  正在运行

Thread-5进入，并发数：4

Thread-9  正在运行

Thread-7进入，并发数：3

Thread-8  正在运行

Thread-6进入，并发数：2

Thread-1进入，并发数：1

Thread-7即将离开，并发数：4

Thread-5即将离开，并发数：4

Thread-1即将离开，并发数：4

Thread-2进入，并发数：4

Thread-6即将离开，并发数：4

Thread-4进入，并发数：4

Thread-0进入，并发数：4

Thread-3进入，并发数：3

Thread-3即将离开，并发数：4

Thread-4即将离开，并发数：4

Thread-0即将离开，并发数：4

Thread-2即将离开，并发数：4

Thread-8进入，并发数：4

Thread-9进入，并发数：4

Thread-8即将离开，并发数：2

Thread-9即将离开，并发数：2

当使用：公平锁时： private static Semaphore semaphore = new Semaphore(num,true);

仔细看结果，就会发现先运行的线程会优先处理

Thread-1  正在运行

Thread-5  正在运行

Thread-5进入，并发数：2

Thread-4  正在运行

Thread-4进入，并发数：3

Thread-2  正在运行

Thread-2进入，并发数：4

Thread-3  正在运行

Thread-0  正在运行

Thread-9  正在运行

Thread-8  正在运行

Thread-7  正在运行

Thread-6  正在运行

Thread-1进入，并发数：1

Thread-4即将离开，并发数：4

Thread-5即将离开，并发数：4

Thread-3进入，并发数：4

Thread-2即将离开，并发数：4

Thread-0进入，并发数：4

Thread-9进入，并发数：4

Thread-1即将离开，并发数：3

Thread-8进入，并发数：4

Thread-3即将离开，并发数：4

Thread-7进入，并发数：4

Thread-9即将离开，并发数：4

Thread-8即将离开，并发数：4

Thread-0即将离开，并发数：4

Thread-6进入，并发数：4

Thread-7即将离开，并发数：2

Thread-6即将离开，并发数：1

2、多进路-单处理-多出路：允许多个线程同时处理任务，但是顺序却是同步的，也就是阻塞的。所以也称单处理。

在代码中加入ReentrantLock对象，或者使用synchronized 代码块，保存代码的同步性

或者上面代码 private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

运行结果：

Thread-0  正在运行

Thread-7  正在运行

Thread-6  正在运行

Thread-2  正在运行

Thread-4  正在运行

Thread-3  正在运行

Thread-5  正在运行

Thread-1  正在运行

Thread-9  正在运行

Thread-0进入，并发数：1

Thread-8  正在运行

Thread-0即将离开，并发数：1

Thread-7进入，并发数：1

Thread-7即将离开，并发数：1

Thread-6进入，并发数：1

Thread-6即将离开，并发数：1

Thread-2进入，并发数：1

Thread-2即将离开，并发数：1

Thread-4进入，并发数：1

Thread-4即将离开，并发数：1

Thread-3进入，并发数：1

Thread-3即将离开，并发数：1

Thread-5进入，并发数：1

Thread-5即将离开，并发数：1

Thread-1进入，并发数：1

Thread-1即将离开，并发数：1

Thread-9进入，并发数：1

Thread-9即将离开，并发数：1

Thread-8进入，并发数：1

Thread-8即将离开，并发数：1

此时，实现了互斥锁的功能。

源码解析

Semaphore内部基于AQS的共享模式，所以实现都委托给了Sync类。
这里就看一下NonfairSync的构造方法：

NonfairSync(int permits) {

     super(permits);

}

可以看到直接调用了父类的构造方法，Sync的构造方法如下：

Sync(int permits) {

     setState(permits);

}

可以看到调用了setState方法，也就是说AQS中的资源就是许可证的数量。

获取许可

先从获取一个许可看起，并且先看非公平模式下的实现。首先看acquire方法，acquire方法有几个重载，但主要是下面这个方法

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {

        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();

        sync.acquireSharedInterruptibly(permits);

    }

从上面可以看到，调用了Sync的acquireSharedInterruptibly方法，该方法在父类AQS中，如下：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)

            throws InterruptedException {

        //如果线程被中断了，抛出异常

        if (Thread.interrupted())

            throw new InterruptedException();

        //获取许可失败，将线程加入到等待队列中

        if (tryAcquireShared(arg) < 0)

            doAcquireSharedInterruptibly(arg);

    }

AQS子类如果要使用共享模式的话，需要实现tryAcquireShared方法，下面看NonfairSync的该方法实现：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

            return nonfairTryAcquireShared(acquires);

        }

该方法调用了父类中的nonfairTyAcquireShared方法，如下：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {

            for (;;) {

                //获取剩余许可数量

                int available = getState();

                //计算给完这次许可数量后的个数

                int remaining = available - acquires;

                //如果许可不够或者可以将许可数量重置的话，返回

                if (remaining < 0 ||

                    compareAndSetState(available, remaining))

                    return remaining;

            }

        }

从上面可以看到，只有在许可不够时返回值才会小于0，其余返回的都是剩余许可数量，这也就解释了，一旦许可不够，后面的线程将会阻塞。看完了非公平的获取，再看下公平的获取，代码如下：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {

            for (;;) {

                //如果前面有线程再等待，直接返回-1

                if (hasQueuedPredecessors())

                    return -1;

                //后面与非公平一样

                int available = getState();

                int remaining = available - acquires;

                if (remaining < 0 ||

                    compareAndSetState(available, remaining))

                    return remaining;

            }

        }

从上面可以看到，FairSync与NonFairSync的区别就在于会首先判断当前队列中有没有线程在等待，如果有，就老老实实进入到等待队列；而不像NonfairSync一样首先试一把，说不定就恰好获得了一个许可，这样就可以插队了。
看完了获取许可后，再看一下释放许可。

释放许可

释放许可也有几个重载方法，但都会调用下面这个带参数的方法，

public void release(int permits) {

        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();

        sync.releaseShared(permits);

    }

releaseShared方法在AQS中，如下：

public final boolean releaseShared(int arg) {

        //如果改变许可数量成功

        if (tryReleaseShared(arg)) {

            doReleaseShared();

            return true;

        }

        return false;

    }

AQS子类实现共享模式的类需要实现tryReleaseShared类来判断是否释放成功，实现如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {

            for (;;) {

                //获取当前许可数量

                int current = getState();

                //计算回收后的数量

                int next = current + releases;

                if (next < current) // overflow

                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");

                //CAS改变许可数量成功，返回true

                if (compareAndSetState(current, next))

                    return true;

            }

        }

从上面可以看到，一旦CAS改变许可数量成功，那么就会调用doReleaseShared()方法释放阻塞的线

减小许可数量

Semaphore还有减小许可数量的方法，该方法可以用于用于当资源用完不能再用时，这时就可以减小许可证。代码如下：

protected void reducePermits(int reduction) {

        if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException();

        sync.reducePermits(reduction);

    }

可以看到，委托给了Sync，Sync的reducePermits方法如下：

 final void reducePermits(int reductions) {

            for (;;) {

                //得到当前剩余许可数量

                int current = getState();

                //得到减完之后的许可数量

                int next = current - reductions;

                if (next > current) // underflow

                    throw new Error("Permit count underflow");

                //如果CAS改变成功

                if (compareAndSetState(current, next))

                    return;

            }

        }

从上面可以看到，就是CAS改变AQS中的state变量，因为该变量代表许可证的数量。

获取剩余许可数量

Semaphore还可以一次将剩余的许可数量全部取走，该方法是drain方法，如下：

public int drainPermits() {

        return sync.drainPermits();

    }

Sync的实现如下：

final int drainPermits() {

            for (;;) {

                int current = getState();

                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))

                    return current;

            }

        }

可以看到，就是CAS将许可数量置为0。

总结

Semaphore是信号量，用于管理一组资源。其内部是基于AQS的共享模式，AQS的状态表示许可证的数量，在许可证数量不够时，线程将会被挂起；而一旦有一个线程释放一个资源，那么就有可能重新唤醒等待队列中的线程继续执行。

参考： https://www.cnblogs.com/wujiaofen/p/11356436.html

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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_19431333/article/details/70212663

巴特西

并发编程Semaphore详解

获取许可

释放许可

减小许可数量

获取剩余许可数量

总结

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