Semaphore的核心机制

在 Java 中，Semaphore 通过 允许计数器 和 同队伍列 的机制实现并发线程数的限制。以下是其核心实现原理和步调的详细分析：

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一、核心机制

• 允许计数器（Permits）
  • 初始化时指定的允许数（如 new Semaphore(3)）会存储在 Semaphore 内部的 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）状态变量 state 中。
  • 每个线程调用 acquire() 时，会尝试将 state 减 1；调用 release() 时，将 state 加 1。
  • 允许数耗尽时，新线程会被阻塞，直到有允许被释放。
  
• 同队伍列（AQS 队列）
  • 当线程因允许不足被阻塞时，会被放入 AQS 的同队伍列 中等待。
  • 释放允许时，队列中的线程会被唤醒并尝试重新获取允许。
  

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二、关键代码实现（基于 AQS）

• 初始化
  

1. Semaphore semaphore = new Semaphore(3);  // 初始化许可数为 3

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• 内部调用 Sync 类的构造方法，将 state 设置为 3。

• 获取允许（acquire）
  

1. semaphore.acquire();  // 阻塞式获取许可

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• 非公平模式（默认）：
直接尝试通过 CAS 操纵将 state 减 1。若乐成则继承执行；若失败（state < 0），则进入 AQS 队列阻塞。
• 公平模式：
起首检查队列中是否有前驱节点在等待。若有，则当前线程进入队列；否则尝试 CAS 操纵。

• 释放允许（release）
  

1. semaphore.release();  // 释放许可

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• 通过 CAS 操纵将 state 加 1，并唤醒队列中的等待线程。

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三、线程阻塞与唤醒的流程

• 线程竞争允许
  • 当多个线程同时调用 acquire() 时，非公平模式下会直接竞争 CAS；公平模式下需按队列顺序获取允许。
  
• 阻塞条件
  • 若 state == 0，所有后续线程会被放入 AQS 队列并阻塞。
  
• 唤醒机制
  • 释放允许时，AQS 会从队列头部唤醒等待的线程，尝试重新获取允许。
  

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四、公平与非公平模式的区别
对比项非公平模式公平模式队列检查无hasQueuedPredecessors()检查存在检查，存在前驱则放弃竞争竞争计谋直接CAS抢允许按队列顺序获取允许线程调度答应插队（抢占式）严格FIFO（队列顺序）实现复杂度低（无额外检查逻辑）高（需维护队列顺序）吞吐量通常更高（减少上下文切换）较低（大概增加等待时间）

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五、实际应用示例

1. Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true);  // 公平模式
3. Runnable task = () -> {
4.     try {
5.         semaphore.acquire();
6.         // 执行临界区代码
7.         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取许可");
8.         Thread.sleep(1000);
9.     } catch (InterruptedException e) {
10.         e.printStackTrace();
11.     } finally {
12.         semaphore.release();
13.     }
14. };
16. // 创建 10 个线程并发执行
17. for (int i = 0; i < 10; i++) {
18.     new Thread(task).start();
19. }

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• 输出结果：前 3 个线程立即执行，后续线程按顺序获取允许，确保同一时刻最多 3 个线程并发。

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六、底层依赖的 AQS 方法

• tryAcquireShared(int acquires)
  • 非公平模式：直接尝试 CAS 减少 state。
  • 公平模式：检查队列中是否有前驱节点，避免插队。
  
• tryReleaseShared(int releases)
  • 通过 CAS 增加 state，并唤醒等待线程。
  

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总结
Semaphore 通过 允许计数器 和 AQS 同队伍列 实现并发控制：
• 允许数 决定最大并发线程数。
• CAS 操纵 保证对 state 的原子性修改。
• 公平性计谋 通过队列顺序控制线程获取允许的优先级。
这种计划既能高效限制资源访问，又能避免线程饥饿问题。

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