Semaphore的核心机制

在 Java 中，Semaphore 通过许可计数器和同步队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骤的详细分析：

一、核心机制

许可计数器（Permits）

• 初始化时指定的许可数（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。

• 许可数耗尽时，新线程会被阻塞，直到有许可被释放。
同步队列（AQS 队列）

• 当线程因许可不足被阻塞时，会被放入 AQS 的同步队列中等待。

• 释放许可时，队列中的线程会被唤醒并尝试重新获取许可。

二、关键代码实现（基于 AQS）

初始化

java 复制代码

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

• 内部调用 Sync 类的构造方法，将 state 设置为 3。

获取许可（acquire）

java 复制代码

semaphore.acquire();  // 阻塞式获取许可

• 非公平模式（默认）：

直接尝试通过 CAS 操作将 state 减 1。若成功则继续执行；若失败（state < 0），则进入 AQS 队列阻塞。

• 公平模式：

首先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 操作。

释放许可（release）

java 复制代码

semaphore.release();  // 释放许可

• 通过 CAS 操作将 state 加 1，并唤醒队列中的等待线程。

三、线程阻塞与唤醒的流程

线程竞争许可

• 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许可。
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

• 释放许可时，AQS 会从队列头部唤醒等待的线程，尝试重新获取许可。

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
竞争策略	直接CAS抢许可	按队列顺序获取许可
线程调度	允许插队（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（可能增加等待时间）

五、实际应用示例

java 复制代码

Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true);  // 公平模式

Runnable task = () -> {
    try {
        semaphore.acquire();
        // 执行临界区代码
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取许可");
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        semaphore.release();
    }
};

// 创建 10 个线程并发执行
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    new Thread(task).start();
}

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

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。

总结
Semaphore 通过许可计数器和 AQS 同步队列实现并发控制：

• 许可数决定最大并发线程数。

• CAS 操作保证对 state 的原子性修改。

• 公平性策略通过队列顺序控制线程获取许可的优先级。

这种设计既能高效限制资源访问，又能避免线程饥饿问题。