JAVA并发编程系列之Semaphore信号量剖析
腾讯T2面试，现场限时3分钟+限最多20行代码，模拟地铁口安检进站。其中安检入口10个，当前排队人数是100个，每个人安检进站耗时5秒。开始吧!
候选人，心中万马奔腾！！！吐了一口82年老血，当场砸电脑回家！
其实，面对这样的面试要求，现实中的头部大厂，甚至一些普通大厂都是设计了很多编程题考查大家的基础功底。但是都不会很复杂，毕竟时间有限，往往都是经典题目，涉及一个或多个核心关键技术点。
这个题目考察的就是并发编程，多个线程并发执行，但是共享资源有限，需要阻塞等待，或者自旋竞争锁。其实如果不限制代码行数，我们有非常多的方式去实现。
1、面试真题：模拟地铁站安检排队进站
这里我们用本文主角semaphore信号量去实现。先上代码，加上package 、import,刚好20行代码。
package lading.java.mutithread;
import cn.hutool.core.date.DateTime;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
* 模拟地铁安检入口排队进站
* 共10个安检口
* 当前有100人进站
* 每人进站需要5s
*/
public class Demo008Semaphore {
public static Semaphore doorNum = new Semaphore(10);//总安检口
public static int peopleNum = 100;//当前排队进站人数
public static int perPersonTimeCostSec = 5;//每个人进站耗时：S
public static void main(String[] args) {
for (int i = 1; i < peopleNum + 1; i++) {
new Thread(() -> {
try {
doorNum.acquire();
Thread.sleep(perPersonTimeCostSec * 1000);
System.out.println(DateTime.now().toString("YYYY-MM-dd hh:mm:ss") + " " + Thread.currentThread().getName() + " 完成进闸。");
doorNum.release();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}, "卡号" + i).start();
}
}
}
运行结果，刚好是每次10个人进站，5s后，又有10个人进站。
实现逻辑：每次只有10个人可以安检进站，进站前通过信号量去竞争锁，拿到就休眠5s，模拟进站耗时，然后释放锁，下一个人就可以继续竞争锁并进站：
2、Semaphore信号量是什么？
首先Semaphore是JUC包提供的一个并发工具类，功能是：支持以及限制多个线程同时访问共享资源。之前我们说《synchronized全能王的原理》和可重入锁《ReentrantLock核心原理剖析》都是限制仅允许一个线程访问共享资源，确保并发的原子性、有序性、可见性。但是Semaphore信号量，像个限流器一样，允许N个线程同时执行。
我们看一下他的源码：
发现和之前分享的AQS优秀实践者ReentrankLock可重入锁，简直就是双胞胎兄弟，就差名字不一样了。里面的三个内部类名字完全一样，抽象类Sync，实现Sync的FairSync 类和NoFairSync类。
但是他是个非重入锁。内部就是通过设置volatile int state的值来维护许可令牌。当state值为0 的时候，其他未执行的线程只能阻塞等着。当有获得锁的线程执行完后，他会把state值+1，这样就相当于有一个空闲令牌，其他等待令牌的就可以竞争执行。
3、具体说一下对Semaphore实现原理
在2的源码图我们看到，信号量里面有三个内部类，其中Sync是直接实现了AQS AbstractQueueSynchronizer队列同步器。然后实现公平锁的FairSync 类和非公平锁NoFairSync类有是Sync的子类。所以信号量的核心在于公平锁、非公平锁的实现上。
首先说说，信号量获取锁的逻辑。这个和之前《ReentrantLock核心原理剖析》锁的公平锁、非公平锁逻辑非常像，这里我们也是上核心源码来剖析。
Semaphore permit= new Semaphore(3,true);
permit.acquire();我们继续看获取锁的acquire()的源码.
public void acquire() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}这个acquireSharedInterruptibly方法是在AQS实现的，之前说AQS是模板方式的设计，这里子类就可以复用父类框架。
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}到正主了，tryAcquireShared(arg)，这个方法里才是获取锁的核心逻辑。我们再继续往下看
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L;
FairSync(int permits) {
super(permits);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
//自旋
for (;;) {
// 1、首先判断 如果AQS FIFO队列是否有在等待的线程，如果有就返回获取锁失败
if (hasQueuedPredecessors())
return -1;
//如果步骤1当前队列是空，以及自己是队列的头节点==说明当前没有其他在等待更久竞争的线程
int available = getState();
//设置state，判断可用信号量是否大于0，大于0则获取锁成功，并通过CAS去更新state值
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
}刚看的是公平锁的源码逻辑，我们再简单看一下非公平锁逻辑。非公平锁简单暴力，上来没有公平锁那个hasQueuedPredecessors()逻辑，不判断是否有其他线程在等待，上来就直接判断当前是否还有可用信号量，以及通过CAS去更新设置state值。CAS成功就拿到锁。
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}4、Semaphore如何释放锁
释放锁，分2步。
1、tryReleaseShared();获取当前信号量值，并通过CAS去+1，更新state值。
2、doReleaseShared();唤醒队列的线程。
步骤1源码，自旋判断并CAS设置state值。
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;
}
}今天就这样，明天我们继续分享CountDownLatch、Future、CyclicBarrier等其他内容。
原文地址：https://blog.csdn.net/aa5305123/article/details/142337128
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