摘要：信號(hào)可以理解為一種許可，拿到許可的線程才可以繼續(xù)執(zhí)行。的計(jì)數(shù)器其實(shí)記錄的就是許可的數(shù)量，當(dāng)許可數(shù)量為時(shí)，方法就會(huì)阻塞。

本文接著分析Semaphore的實(shí)現(xiàn)原理

Semaphore是一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)量。Semaphore（信號(hào)）可以理解為一種許可，拿到許可的線程才可以繼續(xù)執(zhí)行。Semaphore的計(jì)數(shù)器其實(shí)記錄的就是許可的數(shù)量，當(dāng)許可數(shù)量為0時(shí)，acquire方法就會(huì)阻塞。這個(gè)系統(tǒng)和停車位系統(tǒng)非常相似，當(dāng)停車場還有空位的時(shí)候，任何新來的車輛都可以進(jìn)，當(dāng)停車場滿的時(shí)候，新來的車輛必須要等到有空車位產(chǎn)生的時(shí)候才可以開進(jìn)停車場。這里的停車位就相當(dāng)于Semaphore的許可數(shù)量。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
    Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        final int threadNum = i;
        new Thread(() -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("thread" + threadNum + ":entered");
                Thread.sleep(1000 * threadNum);
                System.out.println("thread" + threadNum + ":gone");
                semaphore.release();
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("thread" + threadNum + ":exception");
            }
        }).start();
    }
}

看一下輸出結(jié)果：

thread2:entered
thread3:entered
thread1:entered
thread1:gone
thread4:entered
thread2:gone
thread5:entered
thread3:gone
thread4:gone
thread5:gone

Process finished with exit code 0

首先我們new了一個(gè)信號(hào)量，給了3個(gè)許可，然后在新建5個(gè)線程搶占信號(hào)量。一開始1，2，3號(hào)線程可以拿到許可，然后4號(hào)線程來了，發(fā)現(xiàn)沒有許可了，4號(hào)線程阻塞，直到1號(hào)線程調(diào)用了release后有了許可后，4號(hào)線程被喚醒，以此類推。。。

Semaphore和Reentrant一樣分別實(shí)現(xiàn)了公平鎖和非公平鎖，同樣我們看非公平鎖。上Sync內(nèi)部類代碼：

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;
    
    //構(gòu)造函數(shù)，接收許可的個(gè)數(shù)
    Sync(int permits) {
        setState(permits);
    }

    final int getPermits() {
        return getState();
    }

    //共享模式下，非公平鎖搶占
    final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
        for (;;) {
            int available = getState();
            //可用許可數(shù)量減去申請(qǐng)?jiān)S可數(shù)量
            int remaining = available - acquires;
            if (remaining < 0 ||
                compareAndSetState(available, remaining))
                //返回remaining，小于0表示許可數(shù)量不夠，大于0表示許可數(shù)量足夠
                return remaining;
        }
    }

    //共享模式下釋放許可
    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;
        }
    }

    //減少許可數(shù)量
    final void reducePermits(int reductions) {
        for (;;) {
            int current = getState();
            int next = current - reductions;
            if (next > current) // underflow
                throw new Error("Permit count underflow");
            if (compareAndSetState(current, next))
                return;
        }
    }

    //清空許可數(shù)量
    final int drainPermits() {
        for (;;) {
            int current = getState();
            if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                return current;
        }
    }
}

了解了Semaphore對(duì)state的定義后，我們看一下acquire方法，該方法直接調(diào)用了sync的acquireSharedInterruptibly：

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    //線程中斷標(biāo)志為true，拋出中斷異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //首先嘗試獲取需要的許可數(shù)量
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        //當(dāng)獲取失敗
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

doAcquireSharedInterruptibly在CountdownLatch里分析過：當(dāng)獲取許可失敗時(shí)，往等待隊(duì)列添加當(dāng)前線程的node，如果隊(duì)列沒有初始化則初始化。然后在一個(gè)loop里從隊(duì)列head后第一個(gè)node開始嘗試獲取許可，為了不讓CPU空轉(zhuǎn)，當(dāng)head后第一個(gè)node嘗試獲取許可失敗的時(shí)候，阻塞當(dāng)前線程，第一個(gè)node后的弄的一樣都阻塞，等待被喚醒。

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);
    }
}  

當(dāng)調(diào)用了release方法后，意味著有新的許可被釋放，調(diào)用sync的releaseShared，接著調(diào)用Semaphore的內(nèi)部類Sync實(shí)現(xiàn)的tryReleaseShared嘗試釋放許可。釋放成功后調(diào)用AQS的doReleaseShared，在CountdownLatch中也見過這個(gè)方法。在之前head后第一個(gè)node線程阻塞之前，已經(jīng)將head狀態(tài)設(shè)置為SIGNAL，所以會(huì)喚醒第一個(gè)node的線程，該線程繼續(xù)執(zhí)行之前的loop，嘗試獲取許可成功，并且當(dāng)還有剩余的許可存在時(shí)向后傳播喚醒信號(hào)，喚醒后繼node的線程，獲取剩余的許可。

Semaphore和CountdownLatch一樣使用了AQS的共享模式；
Semaphore在有許可釋放時(shí)喚醒第一個(gè)node的線程獲取許可，之后會(huì)根據(jù)是否還存在許可來決定是否繼續(xù)往后傳播喚醒線程的信號(hào)。
CountdownLatch在state為0的時(shí)候依次往后傳播喚醒信號(hào)，一直傳播到低，直到所有線程被喚醒。