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java Semaphore共享锁实现原理解析

小海编码日记 人气:0

正文

在线程间通信方式中，我们了解到可以使用Semaphore信号量来实现线程间通信，Semaphore支持公平锁和非公平锁，Semaphore底层是通过共享锁来实现的，其支持两种构造函数，如下所示：

 // 默认使用非公平锁实现
 public Semaphore(int permits) {
     sync = new NonfairSync(permits);
 }
 ​
 public Semaphore(int permits, boolean fair) {
     sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
 }

Semaphore提供的常用函数如下所示：

函数名说明备注
acquire获取锁/
release释放锁/

下面我们来看下Semaphore内部的实现原理

Semaphore内部类及继承关系

可以看出Semaphore和ReentrantLock实现原理基本一致，包含NonfairSync和FairSync两个内部类，这两个内部类的父类均为AQS，不妨大胆猜测Semaphore也是依赖AQS实现的，接下来我们一起来看下Semaphore获取和释放锁的流程。

Semaphore.acquire流程分析(以非公平锁为例)

从上图可以看出，针对阻塞线程的部分实现，和ReentrantLock基本一致，我们不做赘述，主要来看下前半部分的源码实现：

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

 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
         throws InterruptedException {
     // 如果线程是中断状态，抛出异常
     if (Thread.interrupted())
         throw new InterruptedException();
     // 尝试获取共享资源
     if (tryAcquireShared(arg) < 0)
         doAcquireSharedInterruptibly(arg);
 }

从源码可以看出acquire主要依赖于tryAcquireShared和doAcquireSharedInterruptibly，接下来我们来分别看下这两块的代码

tryAcquireShared

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

 // Sync
 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
     for (;;) {
         int available = getState();
         int remaining = available - acquires;
         if (remaining < 0 ||
             compareAndSetState(available, remaining))
             return remaining;
     }
 }

 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
     // See below for intrinsics setup to support this
     return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
 }

从代码可以看出这里主要是根据申请的许可证数量，比较时否有许可证数量，如果可用许可证数量小于0，则直接返回，如果大于0，则通过CAS将state设置为可用许可证数量。

doAcquireSharedInterruptibly

当tryAcquireShared中返回的可用许可证数量小于0时，执行doAcquireSharedInterruptibly流程，代码如下：

 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 // 在队尾新建Node对象并添加
 private Node addWaiter(Node mode) {
     Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
     // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
     Node pred = tail;
     if (pred != null) {
         node.prev = pred;
         if (compareAndSetTail(pred, node)) {
             pred.next = node;
             return node;
         }
     }
     enq(node);
     return node;
 }

 // AbstractQueuedSynchronizer.java
 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
     throws InterruptedException {
     // 将当前线程添加到等待队列
     final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
     boolean failed = true;
     try {
         // for循环自旋
         for (;;) {
             // 获取node的前一个节点
             final Node p = node.predecessor();
             // 如果前一个节点是头节点
             if (p == head) {
                 // 尝试获取锁
                 int r = tryAcquireShared(arg);
                 if (r >= 0) {
                     // 获取锁成功，更新node信息设置为头节点，并通知其他节点
                     setHeadAndPropagate(node, r);
                     p.next = null; // help GC
                     failed = false;
                     return;
                 }
             }
             // 判断是否需要阻塞线程，设置waitStatus并阻塞
             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                 parkAndCheckInterrupt())
                 throw new InterruptedException();
         }
     } finally {
         if (failed)
             cancelAcquire(node);
     }
 }

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
    Node h = head; // Record old head for check below
    setHead(node);
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

执行setHeadAndPropagate的主要目的在于，这里能获取到说明在该线程自旋过程中有线程释放了许可证，释放的许可证数量有可能还有剩余，所以传递给其他节点的线程，唤醒其他阻塞状态的线程也尝试去获取许可证。

Semaphore.release流程分析(以非公平锁为例)

Semaphore.release流程相对而言，就比较简单，将release传递到AQS内部通过CAS更新许可证数量信息，更新完成后，遍历队列中Node节点，将Node waitStatus设置为0，并对对应线程执行unpark，相关代码如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
    for (;;) {
        int current = getState();
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        // 通过CAS更新许可证数量
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}
// 许可证数量更新完成后，调用该方法唤醒线程
private void doReleaseShared() {
    // 自旋
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                // 唤醒后继节点线程抢占许可证
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

综上，我们分析了Smaphore非公平锁的实现，感兴趣的可以分析下公平锁的实现，其本质区别在于在tryAcquireShared中只有当等待队列为空时，才会去尝试更新剩余许可证数量。

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