AQS之Semaphore详解

AQS之Semaphore详解

  • 一、Semaphore类的继承关系
    • 1. AbstractQueuedSynchronizer:提供了一个同步器的框架。
    • 2. Sync：Semaphore的内部类，提供了锁的具体实现。
    • 3. FairSync：Sync的子类，实现公平锁。
    • 4. NonfairSync:Sync的子类，实现非公平锁。
  • 二、Semaphore的基本使用
    • 1. 使用场景：
    • 2. 代码实现：
    • 3. 运行结果：
    • 4. 案例分析：
  • 三、Semaphore的优缺点
    • 1. 简介：
    • 2. 优点：
      • 2.1、灵活性：
      • 2.2、可重入性：
      • 2.3、公平性：
      • 2.4、可以用于多种场景：
    • 3. 优点：
      • 3.1、使用复杂：
      • 3.2、容易造成死锁：
      • 3.3、不支持条件等待：
      • 3.4、可能出现饥饿：
      • 3.5 小结：
  • 四、源码分析
    • 1. 构造方法
      • 1.1 Semaphore(int permits)
      • 1.2 Semaphore(int permits, boolean fair)
      • 1.3 构造方法小结
    • 2. acquire方法
      • 2.1 AQS#acquireSharedInterruptibly
      • 2.2 Semaphore#tryAcquireShared
      • 2.3 AQS#doAcquireSharedInterruptibly
      • 2.4 AQS#doAcquireSharedInterruptibly#addWaiter
      • 2.5 AQS#addWaiter#enq
      • 2.6 AQS#shouldParkAfterFailedAcquire
      • 2.7 AQS#parkAndCheckInterrupt
      • 2.8 AQS#LockSupport.park
      • 2.9 流程图
    • 3. release方法
      • 3.1 AQS#releaseShared
      • 3.2 Semaphore#tryReleaseShared
      • 3.3 AQS#doReleaseShared
      • 3.4 AQS#doReleaseShared#unparkSuccessor
      • 3.5 AQS#LockSupport.unpark
      • 3.6 AQS#doReleaseShared#setHeadAndPropagate
      • 3.7 AQS#doReleaseShared#setHeadAndPropagate#isShared
      • 3.8 流程图

一、Semaphore类的继承关系

semaphore

1. AbstractQueuedSynchronizer:提供了一个同步器的框架。

  1. AQS为Semaphore提供了基本的针对共享资源的获取失败入队出队阻塞唤醒的逻辑。
  2. Semaphore通过AQS的同步状态来表示可用的许可数，并通过AQS的等待队列来管理等待获取许可的线程。
  3. 当一个线程请求获取许可时，如果许可数不足，则该线程会被阻塞并加入到AQS的等待队列中。
  4. 当有其他线程释放许可时，AQS会从等待队列中选择一个线程唤醒，使其重新尝试获取许可。
  5. 这样就实现了对共享资源的获取失败入队出队阻塞唤醒的逻辑。

2. Sync：Semaphore的内部类，提供了锁的具体实现。

  1. Sync是Semaphore的内部类，它继承自AQS并重写了其中的方法，用于实现Semaphore的同步逻辑。

3. FairSync：Sync的子类，实现公平锁。

  1. FairSync是Sync的子类，它实现了公平的获取许可的机制。当线程请求许可时，FairSync会按照FIFO的顺序选择等待的线程获取许可。

4. NonfairSync:Sync的子类，实现非公平锁。

  1. NoFairSync是Sync的子类，它实现了非公平的获取许可的机制。当线程请求许可时，NoFairSync会直接尝试获取许可，而不管是否有其他线程在等待。

二、Semaphore的基本使用

1. 使用场景：

假设有一个公共游泳池，最多允许同时有5个人在游泳，其他人需要等待。这就可以使用Semaphore来控制并发访问的线程数。
picture

2. 代码实现：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SwimmingPool {
    private static final int MAX_SWIMMERS = 5;
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_SWIMMERS);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            Thread swimmer = new Thread(new Swimmer(i));
            swimmer.start();
        }
    }

    static class Swimmer implements Runnable {
        private int id;

        public Swimmer(int id) {
            this.id = id;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire(); // 请求获取许可，如果没有可用许可则阻塞等待
                System.out.println("Swimmer " + id + " starts swimming.");
                Thread.sleep(10000); // 模拟游泳过程
                semaphore.release(); // 释放许可
                System.out.println("Swimmer " + id + " finishes swimming.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3. 运行结果：

semaphore

4. 案例分析：

  1. 在这个案例中，有10个游泳者想要在游泳池中游泳，但是游泳池最多允许同时有5个人在游泳。
  2. Semaphore的初始许可数为5，当有游泳者调用acquire()方法请求获取许可时，如果许可数不足，则该游泳者会被阻塞等待。
  3. 当有其他游泳者完成游泳并调用release()方法释放许可时，Semaphore会选择一个等待的游泳者唤醒，使其开始游泳。
  4. 通过Semaphore的控制，保证了同时游泳的人数不超过5个。

三、Semaphore的优缺点

1. 简介：

Semaphore是一种并发控制工具，用于限制同时访问某个资源或执行某个任务的线程数量。它在多线程环境中起到了线程同步和互斥的作用。

2. 优点：

2.1、灵活性：

Semaphore可以根据需要设置初始许可数，允许多个线程同时访问共享资源，或者限制同时执行的任务数量。

2.2、可重入性：

Semaphore是可重入的，同一个线程可以多次获取和释放许可。

2.3、公平性：

Semaphore可以选择是否公平地分配许可。如果设置为公平模式，那么等待时间最长的线程将优先获取许可。

2.4、可以用于多种场景：

Semaphore可以用于解决生产者-消费者问题、连接池管理、并发线程数控制等多种并发场景。

3. 优点：

3.1、使用复杂：

相对于其他线程同步和互斥的工具，Semaphore的使用相对复杂，需要手动调用acquire()和release()方法进行许可的获取和释放，容易出现逻辑错误。

3.2、容易造成死锁：

如果在使用Semaphore时没有正确地释放许可，可能会导致线程间的死锁情况，造成程序无法继续执行。

3.3、不支持条件等待：

与ReentrantLock相比，Semaphore不支持线程的条件等待和通知，无法使用wait()和notify()方法进行线程间的通信。

3.4、可能出现饥饿：

在公平模式下，许可的获取是按照线程等待的先后顺序进行的，这可能导致某些线程一直无法获取到许可，出现饥饿现象。

3.5 小结：

综上所述，Semaphore是一种功能强大的并发控制工具，能够灵活地管理共享资源的访问和任务的执行。然而，由于其使用复杂、可能导致死锁、不支持条件等待以及可能出现饥饿等缺点，开发人员在使用Semaphore时需要仔细考虑和处理这些问题。

四、源码分析

1. 构造方法

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
	sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

1.1 Semaphore(int permits)

  • 参数permits表示同时可以访问的线程数目。如果permits的值为1，表示Semaphore对象可以用作互斥锁。
  • 当permits的值大于1时，Semaphore对象可以用作资源池的控制器，限制可以访问资源的线程的数量。

1.2 Semaphore(int permits, boolean fair)

  • 参数fair表示是否采用公平锁策略。如果为true，表示Semaphore对象采用公平锁策略，即先进入等待队列的线程将先获得许可；如果为false，表示Semaphore对象采用非公平锁策略，线程获取许可的顺序是不确定的。

1.3 构造方法小结

  • 使用Semaphore的构造方法，可以创建一个具有指定许可数目和锁策略的Semaphore对象。
  • 根据不同的应用场景，可以选择适合的构造方法来创建Semaphore对象，然后使用acquire()和release()方法来获取和释放许可。

2. acquire方法

外部调用加锁方法acquire()，(支持可中断)
中断概念如果不清楚的话，可以参考Java之线程中断

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

2.1 AQS#acquireSharedInterruptibly

acquire方法内部会调用acquireSharedInterruptibly方法，可以看到
AQS给我们提供了模板方法： tryAcquireShared

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

注意，这里没有实现加锁的逻辑（模板方法留给子类实现）
子类

2.2 Semaphore#tryAcquireShared

调用子类Semaphore的tryAcquireShared方法（这里以非公平为例）

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
//非公平
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}
//公平
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;
    }
}
  1. 获取剩余资源许可int available = getState();
  2. 得到剩余许可remaining
  3. 小于0直接返回，否则，说明有许可，CAS操作保证线程安全获取锁
  4. CAS成功则获取锁，执行业务代码。
  5. 如果没有获取锁tryAcquireShared(arg) < 0，回到acquireSharedInterruptibly方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

2.3 AQS#doAcquireSharedInterruptibly

没有可用资源，只能调用doAcquireSharedInterruptibly（走入队逻辑）

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
   throws InterruptedException {
   final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
   boolean failed = true;
   try {
       for (;;) {
           final Node p = node.predecessor();
           if (p == head) {
               int r = tryAcquireShared(arg);
               if (r >= 0) {
                   setHeadAndPropagate(node, r);
                   p.next = null; // help GC
                   failed = false;
                   return;
               }
           }
           if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
               parkAndCheckInterrupt())
               throw new InterruptedException();
       }
   } finally {
       if (failed)
           cancelAcquire(node);
   }
}

2.4 AQS#doAcquireSharedInterruptibly#addWaiter

addWaiter方法： 添加到等待队列

  1. 构造Node结点
  2. 第一个入队的线程需要调用enq(node);
  3. 创建队列
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;
}

创建一个需要入队的结点，队列不为空的情况下，CAS操作将其设置为tail尾结点。

2.5 AQS#addWaiter#enq

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}
  1. 队列没有一个结点，那么第一个线程需要构建队列。
  2. 开始入队，尾插法
    2.1 node.prev = t; 修改当前结点的前驱指针
    2.2 compareAndSetTail(t, node) 将当前结点CAS置为tail尾结点
    2.3 t.next = node;修改当前结点的后继指针
  3. addWaiter方法结束，入队完成。
  4. final Node p = node.predecessor();获取当前结点的前驱结点
  5. 如果前驱结点是head,又会调用tryAcquireShared（子类），尝试获取资源
  6. 如果没有可用许可，调用shouldParkAfterFailedAcquire准备阻塞

2.6 AQS#shouldParkAfterFailedAcquire

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        /*
         * This node has already set status asking a release
         * to signal it, so it can safely park.
         */
        return true;
    if (ws > 0) {
        /*
         * Predecessor was cancelled. Skip over predecessors and
         * indicate retry.
         */
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus > 0);
        pred.next = node;
    } else {
        /*
         * waitStatus must be 0 or PROPAGATE.  Indicate that we
         * need a signal, but don't park yet.  Caller will need to
         * retry to make sure it cannot acquire before parking.
         */
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}

准备阻塞：将当前结点的前驱结点pred.waitStatus（CAS）置为-1 SIGNAL 可唤醒

static final int SIGNAL    = -1;

-1 表示后继的线程结点需要被唤醒

2.7 AQS#parkAndCheckInterrupt

调用parkAndCheckInterrupt()方法

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

2.8 AQS#LockSupport.park

最后一步，LockSupport.park(this)，真正阻塞，将当前线程挂起。

2.9 流程图

acquire

3. release方法

外部调用释放锁方法：release()方法

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

3.1 AQS#releaseShared

通过内部类sync调用AQS模板方法：releaseShared()方法

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}

tryReleaseShared方法AQS内部没有实现，留给子类实现。
模板

3.2 Semaphore#tryReleaseShared

来到Semaphore类tryReleaseShared 子类提供具体实现释放锁的逻辑。

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");
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

tryReleaseShared大致逻辑：

  1. 获取当前state变量值，把资源的许可数量+1
  2. 通过CAS+for循环保证操作更新成功。
  3. tryReleaseShared结束（释放资源）

3.3 AQS#doReleaseShared

tryReleaseShared结束来到，AQS的doReleaseShared方法。
调用doReleaseShared，唤醒阻塞队列线程。

private void doReleaseShared() {
    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
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

如果头结点head等于Node.SIGNAL，CAS置为0，唤醒前的准备工作。

3.4 AQS#doReleaseShared#unparkSuccessor

doReleaseShared内部调用unparkSuccessor方法

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);
    }

获取到Node s = node.next;头结点的下一个结点要唤醒的结点

3.5 AQS#LockSupport.unpark

执行LockSupport.unpark(s.thread)方法
唤醒阻塞线程

3.6 AQS#doReleaseShared#setHeadAndPropagate

紧接着被唤醒的线程会来到doAcquireSharedInterruptibly方法的for循环里
刚好等于头结点，可以尝试获取资源

if (p == head) {
    int r = tryAcquireShared(arg);
    if (r >= 0) {
        setHeadAndPropagate(node, r);
        p.next = null; // help GC
        failed = false;
        return;
    }
}

获取head结点，将当前结点设置为head结点，释放之前的头结点，让gc回收。

3.7 AQS#doReleaseShared#setHeadAndPropagate#isShared

到这里还没完，setHeadAndPropagate方法里会调用isShared() 判断当前链表是否是共享模式

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();
        }
    }

如果前驱节点正好是head,就可以尝试获取资源，获取成功就可以执行业务逻辑，只要资源数（state>0）充足，可以一直唤醒。

3.8 流程图

release

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云原生之深入解析Dapr安全性之访问控制策略

云原生之深入解析Dapr安全性之访问控制策略

一、服务调用范围访问策略 ① 跨命名空间的服务调用 Dapr 通过服务调用 API 提供端到端的安全性&#xff0c;能够使用 Dapr 对应用程序进行身份验证并设置端点访问策略&#xff1a; Dapr 应用程序可以被限定在特定的命名空间&#xff0c;以实现部署和安全&#xff0c;当然仍然…
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Istio 什么是服务网格

Istio 什么是服务网格

什么是服务网格 服务网格(Service Mesh)这个术语通常用于描述构成这些应用程序的微服务网络以及应用之间的交互。随着规模和复杂性的增长&#xff0c;服务网格越来越难以理解和管理。 它的需求包括服务发现、负载均衡、故障恢复、指标收集和监控以及通常更加复杂的运维需求&am…
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oracle字符集

oracle字符集

1、查看oracle字符集 如果操作系统或者客户端的字符集设置和数据库设置不一样就会出现乱码 查询NLS_LANG即操作系统环境变量要设为 NLS_LANGUAGE_NLS_TERRITORY**.NLS_CHARACTERSET**&#xff0c;如&#xff1a; export NLS_LANG“AMERICAN_AMERICA.AL32UTF8”
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Hadoop环境搭建

Hadoop环境搭建

一、简介 1.1、概念 Hadoop是一个由Apache基金会所创建的分布式系统基础架构&#xff0c;主要解决海量数据的存储和海量数据的分析计算问题&#xff0c;从广义上来说hadoop是数据存储分包器&#xff0c;可以存储大量的数据。 1.2、优势 Hadoop具有高可靠性&#xff08;Hado…
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electron+vue3+ts+vite

electron+vue3+ts+vite

首先使用vite工具创建一个vue3ts的项目 npm create vite创建好vuets项目后启动项目 cd electron-vue3-ts-vitenpm installnpm run dev 访问http://127.0.0.1:5173/地址可以看到项目已经启动成功 安装Electron 接下来我们安装electron&#xff0c;使用以下命令 npm i -D el…
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CV什么时候能迎来ChatGPT时刻？

CV什么时候能迎来ChatGPT时刻？

卷友们好&#xff0c;我是rumor。 最近看了几篇CV的工作&#xff0c;肉眼就感受到了CVer们对于大一统模型的“焦虑”。 这份焦虑让他们开始尝试统一一切&#xff0c;比如&#xff1a; 统一复杂的自动驾驶任务的优化目标[1]&#xff0c;来自今年CVPR最佳论文。统一典型的CV任务&…
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360手机 360手机刷机最高安卓版本参考

360手机 360手机刷机最高安卓版本参考

360手机 360手机刷机最高安卓版本参考 参考&#xff1a;360手机-360刷机360刷机包twrp、root 360刷机包360手机刷机&#xff1a;360rom.github.io 【360手机(最高)安卓版本】 以下列举为常见360手机机型&#xff1b;其它早期系列&#xff0c;一般为Android4-6左右360手机UI界…
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doker安装RabbitMQ以及用java连接

doker安装RabbitMQ以及用java连接

目录 doker安装&#xff1a; RabitMq安装&#xff1a; java链接 doker安装&#xff1a; 参考链接&#xff08;非常详细&#xff09;&#xff1a; docker安装以及部署_docker bu shuminio_春风与麋鹿的博客-CSDN博客 安装好后开启doker //启动docker服务 systemctl start do…
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保偏产品系列丨5款保偏光纤产品简介

保偏产品系列丨5款保偏光纤产品简介

保偏光纤应用日益扩大&#xff0c;特别是在干涉型传感器等测量方面&#xff0c;利用保偏光纤的光无源器件起着非常重要的作用&#xff0c;种类也很多。 本文来介绍5款保偏光纤系列产品以及它们的性能&#xff0c;欢迎收藏转发哦&#xff01; 01、保偏光纤跳线-TLPMPC 保偏光纤跳…
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