问题
（1）Semaphore是什么？
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（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.Sync
abstract 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.NonfairSync
static 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.FairSync
static 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(int permits)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;
}
}
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