爱站程序员基地
问题
（1）Semaphore是什么？
（2）Semaphore具有哪些特性？
（3）Semaphore通常使用在什么场景中？
（4）Semaphore的许可次数是否可以动态增减？
（5）Semaphore如何实现限流？
简介
Semaphore，信号量，它保存了一系列的许可（permits），每次调用acquire()都将消耗一个许可，每次调用release()都将归还一个许可。
特性
Semaphore通常用于限制同一时间对共享资源的访问次数上，也就是常说的限流。
下面我们一起来学习Java中Semaphore是如何实现的。
类结构
Semaphore中包含了一个实现了AQS的同步器Sync，以及它的两个子类FairSync和NonFairSync，这说明Semaphore也是区分公平模式和非公平模式的。
源码分析
基于之前对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的分析，这篇文章相对来说比较简单，之前讲过的一些方法将直接略过，有兴趣的可以拉到文章底部查看之前的文章。
内部类Sync
// java.util.concurrent.Semaphore.Syncabstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L; // 构造方法，传入许可次数，放入state中 Sync(int permits) { setState(permits); } // 获取许可次数 final int getPermits() { return getState(); } // 非公平模式尝试获取许可 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int available = getState(); // 减去这次需要获取的许可还剩下几个许可 int remaining = available - acquires; // 如果剩余许可小于0了则直接返回 // 如果剩余许可不小于0，则尝试原子更新state的值，成功了返回剩余许可 if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } } // 释放许可 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 加上这次释放的许可 int next = current + releases; // 检测溢出 if (next < current) // overflow throw new Error(\"Maximum permit count exceeded\"); // 如果原子更新state的值成功，就说明释放许可成功，则返回true if (compareAndSetState(current, next)) return true; } } // 减少许可 final void reducePermits(int reductions) { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 减去将要减少的许可 int next = current - reductions; // 检测举出 if (next > current) // underflow throw new Error(\"Permit count underflow\"); // 原子更新state的值，成功了返回true if (compareAndSetState(current, next)) return; } } // 销毁许可 final int drainPermits() { for (;;) { // 看看还有几个许可 int current = getState(); // 如果为0，直接返回 // 如果不为0，把state原子更新为0 if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0)) return current; } }}
通过Sync的几个实现方法，我们获取到以下几点信息：
（1）许可是在构造方法时传入的；
（2）许可存放在状态变量state中；
（3）尝试获取一个许可的时候，则state的值减1；
（4）当state的值为0的时候，则无法再获取许可；
（5）释放一个许可的时候，则state的值加1；
（6）许可的个数可以动态改变；
内部类NonfairSync
// java.util.concurrent.Semaphore.NonfairSyncstatic final class NonfairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = -2694183684443567898L; // 构造方法，调用父类的构造方法 NonfairSync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可，调用父类的nonfairTryAcquireShared()方法 protected int tryAcquireShared(int acquires) { return nonfairTryAcquireShared(acquires); } }
非公平模式下，直接调用父类的nonfairTryAcquireShared()尝试获取许可。
内部类FairSync
// java.util.concurrent.Semaphore.FairSyncstatic final class FairSync extends Sync { private static final long serialVersionUID = 2014338818796000944L; // 构造方法，调用父类的构造方法 FairSync(int permits) { super(permits); } // 尝试获取许可 protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { // 公平模式需要检测是否前面有排队的 // 如果有排队的直接返回失败 if (hasQueuedPredecessors()) return -1; // 没有排队的再尝试更新state的值 int available = getState(); int remaining = available - acquires; if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } }}
公平模式下，先检测前面是否有排队的，如果有排队的则获取许可失败，进入队列排队，否则尝试原子更新state的值。
构造方法
// 构造方法，创建时要传入许可次数，默认使用非公平模式public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits);}// 构造方法，需要传入许可次数，及是否公平模式public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);}
创建Semaphore时需要传入许可次数。
Semaphore默认也是非公平模式，但是你可以调用第二个构造方法声明其为公平模式。
下面的方法在学习过前面的内容看来都比较简单，彤哥这里只列举Semaphore支持的一些功能了。
以下的方法都是针对非公平模式来描述。
acquire()方法
public void acquire() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1);}
获取一个许可，默认使用的是可中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。
acquireUninterruptibly()方法
public void acquireUninterruptibly() { sync.acquireShared(1);}
获取一个许可，非中断方式，如果尝试获取许可失败，会进入AQS的队列中排队。
tryAcquire()方法
public boolean tryAcquire() { return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;}
尝试获取一个许可，使用Sync的非公平模式尝试获取许可方法，不论是否获取到许可都返回，只尝试一次，不会进入队列排队。
tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)方法
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));}
尝试获取一个许可，先尝试一次获取许可，如果失败则会等待timeout时间，这段时间内都没有获取到许可，则返回false，否则返回true；
release()方法
public void release() { sync.releaseShared(1);}
释放一个许可，释放一个许可时state的值会加1，并且会唤醒下一个等待获取许可的线程。
acquire(int permits)方法
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.acquireSharedInterruptibly(permits);}
一次获取多个许可，可中断方式。
acquireUninterruptibly(int permits)方法
public void acquireUninterruptibly(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.acquireShared(permits);}
一次获取多个许可，非中断方式。
tryAcquire(int permits)方法
public boolean tryAcquire(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;}
一次尝试获取多个许可，只尝试一次。
tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)方法
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));}
尝试获取多个许可，并会等待timeout时间，这段时间没获取到许可则返回false，否则返回true。
release(int permits)方法
public void release(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.releaseShared(permits);}
一次释放多个许可，state的值会相应增加permits的数量。
availablePermits()方法
public int availablePermits() { return sync.getPermits();}
获取可用的许可次数。
drainPermits()方法
public int drainPermits() { return sync.drainPermits();}
销毁当前可用的许可次数，对于已经获取的许可没有影响，会把当前剩余的许可全部销毁。
reducePermits(int reduction)方法
protected void reducePermits(int reduction) { if (reduction < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.reducePermits(reduction);}
减少许可的次数。
总结
（1）Semaphore，也叫信号量，通常用于控制同一时刻对共享资源的访问上，也就是限流场景；
（2）Semaphore的内部实现是基于AQS的共享锁来实现的；
（3）Semaphore初始化的时候需要指定许可的次数，许可的次数是存储在state中；
（4）获取一个许可时，则state值减1；
（5）释放一个许可时，则state值加1；
（6）可以动态减少n个许可；
（7）可以动态增加n个许可吗？
彩蛋
（1）如何动态增加n个许可？
答：调用release(intpermits)即可。我们知道释放许可的时候state的值会相应增加，再回头看看释放许可的源码，发现与ReentrantLock的释放锁还是有点区别的，Semaphore释放许可的时候并不会检查当前线程有没有获取过许可，所以可以调用释放许可的方法动态增加一些许可。
（2）如何实现限流？
答：限流，即在流量突然增大的时候，上层要能够限制住突然的大流量对下游服务的冲击，在分布式系统中限流一般做在网关层，当然在个别功能中也可以自己简单地来限流，比如秒杀场景，假如只有10个商品需要秒杀，那么，服务本身可以限制同时只进来100个请求，其它请求全部作废，这样服务的压力也不会太大。
使用Semaphore就可以直接针对这个功能来限流，以下是代码实现：
public class SemaphoreTest { public static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(100); public static final AtomicInteger failCount = new AtomicInteger(0); public static final AtomicInteger successCount = new AtomicInteger(0); public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 1000; i++) { new Thread(()->seckill()).start(); } } public static boolean seckill() { if (!SEMAPHORE.tryAcquire()) { System.out.println(\"no permits, count=\"+failCount.incrementAndGet()); return false; } try { // 处理业务逻辑 Thread.sleep(2000); System.out.println(\"seckill success, count=\"+successCount.incrementAndGet()); } catch (InterruptedException e) { // todo 处理异常 e.printStackTrace(); } finally { SEMAPHORE.release(); } return true; }}
