并发编程（七）——AbstractQueuedSynchronizer 之 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 源码分析
这篇，我们的关注点是 AQS 最后的部分，共享模式的使用。本文先用 CountDownLatch 将共享模式说清楚，然后顺着把其他 AQS 相关的类 CyclicBarrier、Semaphore 的源码一起过一下。
CountDownLatch
CountDownLatch 这个类是比较典型的 AQS 的共享模式的使用，这是一个高频使用的类。使用方法在前面一篇文章中有介绍 并发编程（二）—— CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
使用例子
我们看下 Doug Lea 在 java doc 中给出的例子，这个例子非常实用，我们经常会写这个代码。
假设我们有 N ( N > 0 ) 个任务，那么我们会用 N 来初始化一个 CountDownLatch，然后将这个 latch 的引用传递到各个线程中，在每个线程完成了任务后，调用 latch.countDown() 代表完成了一个任务。
调用 latch.await() 的方法的线程会阻塞，直到所有的任务完成。
class Driver2 { // ... void main() throws InterruptedException { CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N); Executor e = Executors.newFixedThreadPool(8); // 创建 N 个任务，提交给线程池来执行 for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads e.execute(new WorkerRunnable(doneSignal, i)); // 等待所有的任务完成，这个方法才会返回 doneSignal.await(); // wait for all to finish } } class WorkerRunnable implements Runnable { private final CountDownLatch doneSignal; private final int i; WorkerRunnable(CountDownLatch doneSignal, int i) { this.doneSignal = doneSignal; this.i = i; } public void run() { try { doWork(i); // 这个线程的任务完成了，调用 countDown 方法 doneSignal.countDown(); } catch (InterruptedException ex) { } // return; } void doWork() { ...} }
所以说 CountDownLatch 非常实用，我们常常会将一个比较大的任务进行拆分，然后开启多个线程来执行，等所有线程都执行完了以后，再往下执行其他操作。这里例子中，只有 main 线程调用了 await 方法。
我们再来看另一个例子，这个例子很典型，用了两个 CountDownLatch：
class Driver { // ... void main() throws InterruptedException { CountDownLatch startSignal = new CountDownLatch(1); CountDownLatch doneSignal = new CountDownLatch(N); for (int i = 0; i < N; ++i) // create and start threads new Thread(new Worker(startSignal, doneSignal)).start(); // 这边插入一些代码，确保上面的每个线程先启动起来，才执行下面的代码。 doSomethingElse(); // don't let run yet // 因为这里 N == 1，所以，只要调用一次，那么所有的 await 方法都可以通过 startSignal.countDown(); // let all threads proceed doSomethingElse(); // 等待所有任务结束 doneSignal.await(); // wait for all to finish } } class Worker implements Runnable { private final CountDownLatch startSignal; private final CountDownLatch doneSignal; Worker(CountDownLatch startSignal, CountDownLatch doneSignal) { this.startSignal = startSignal; this.doneSignal = doneSignal; } public void run() { try { // 为了让所有线程同时开始任务，我们让所有线程先阻塞在这里 // 等大家都准备好了，再打开这个门栓 startSignal.await(); doWork(); doneSignal.countDown(); } catch (InterruptedException ex) { } // return; } void doWork() { ...} }
这个例子中，doneSignal 同第一个例子的使用，我们说说这里的 startSignal。N 个新开启的线程都调用了startSignal.await() 进行阻塞等待，它们阻塞在栅栏上，只有当条件满足的时候（startSignal.countDown()），它们才能同时通过这个栅栏。
如果始终只有一个线程调用 await 方法等待任务完成，那么 CountDownLatch 就会简单很多，所以之后的源码分析读者一定要在脑海中构建出这么一个场景：有 m 个线程是做任务的，有 n 个线程在某个栅栏上等待这 m 个线程做完任务，直到所有 m 个任务完成后，n 个线程同时通过栅栏。
源码分析
构造方法，需要传入一个不小于 0 的整数：
public CountDownLatch(int count) { if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0"); this.sync = new Sync(count); } // 老套路了，内部封装一个 Sync 类继承自 AQS private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { Sync(int count) { // 这样就 state == count 了 setState(count); } ... }
先分析套路：AQS 里面的 state 是一个整数值，这边用一个 int count 参数其实初始化就是设置了这个值，所有调用了 await 方法的等待线程会挂起，然后有其他一些线程调用会做 state = state – 1 操作，当 state 减到 0 的同时，那个线程会负责唤醒调用了 await 方法的所有线程。
对于 CountDownLatch，我们仅仅需要关心两个方法，一个是 countDown() 方法，另一个是 await() 方法。countDown() 方法每次调用都会将 state 减 1，直到 state 的值为 0；而 await 是一个阻塞方法，当 state 减为 0 的时候，await 方法才会返回。await 可以被多个线程调用，读者这个时候脑子里要有个图：所有调用了 await 方法的线程阻塞在 AQS 的阻塞队列中，等待条件满足（state == 0），将线程从队列中一个个唤醒过来。
我们用以下程序来分析源码，t1 和 t2 负责调用 countDown() 方法，t3 和 t4 调用 await 方法阻塞：
1 public class CountDownLatchDemo { 2 3 public static void main(String[] args) { 4 5 CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2); 6 7 Thread t1 = new Thread(new Runnable() { 8 @Override 9 public void run() { 10 try { 11 Thread.sleep(5000); 12 } catch (InterruptedException ignore) { 13 } 14 // 休息 5 秒后(模拟线程工作了 5 秒)，调用 countDown() 15 latch.countDown(); 16 } 17 }, "t1"); 18 19 Thread t2 = new Thread(new Runnable() { 20 @Override 21 public void run() { 22 try { 23 Thread.sleep(10000); 24 } catch (InterruptedException ignore) { 25 } 26 // 休息 10 秒后(模拟线程工作了 10 秒)，调用 countDown() 27 latch.countDown(); 28 } 29 }, "t2"); 30 31 t1.start(); 32 t2.start(); 33 34 Thread t3 = new Thread(new Runnable() { 35 @Override 36 public void run() { 37 try { 38 // 阻塞，等待 state 减为 0 39 latch.await(); 40 System.out.println("线程 t3 从 await 中返回了"); 41 } catch (InterruptedException e) { 42 System.out.println("线程 t3 await 被中断"); 43 Thread.currentThread().interrupt(); 44 } 45 } 46 }, "t3"); 47 Thread t4 = new Thread(new Runnable() { 48 @Override 49 public void run() { 50 try { 51 // 阻塞，等待 state 减为 0 52 latch.await(); 53 System.out.println("线程 t4 从 await 中返回了"); 54 } catch (InterruptedException e) { 55 System.out.println("线程 t4 await 被中断"); 56 Thread.currentThread().interrupt(); 57 } 58 } 59 }, "t4"); 60 61 t3.start(); 62 t4.start(); 63 } 64 }
上述程序，大概在过了 10 秒左右的时候，会输出：
线程 t3 从 await 中返回了 线程 t4 从 await 中返回了 // 这两条输出，顺序不是绝对的 // 后面的分析，我们假设 t3 先进入阻塞队列
接下来，我们按照流程一步一步走：先 await 等待，然后被唤醒，await 方法返回。
首先，我们来看 await() 方法，它代表线程阻塞，等待 state 的值减为 0。
public void await() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { // 这也是老套路了，我在第二篇的中断那一节说过了 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // t3 和 t4 调用 await 的时候，state 都大于 0。 // 也就是说，这个 if 返回 true，然后往里看 if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg); } // 只有当 state == 0 的时候，这个方法才会返回 1 protected int tryAcquireShared(int acquires) { return (getState() == 0) ? 1 : -1; }
从方法名我们就可以看出，这个方法是获取共享锁，并且此方法是可中断的（中断的时候抛出 InterruptedException 退出这个方法）。
1 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) 2 throws InterruptedException { 3 // 1. 入队 4 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 5 boolean failed = true; 6 try { 7 for (;;) { 8 final Node p = node.predecessor(); 9 if (p == head) { 10 // 同上，只要 state 不等于 0，那么这个方法返回 -1 11 int r = tryAcquireShared(arg); 12 // r=-1时，这里if不会进入 13 if (r >= 0) { 14 setHeadAndPropagate(node, r); 15 p.next = null; // help GC 16 failed = false; 17 return; 18 } 19 } 20 // 2. 这和第一篇AQS里面代码一样，修改前驱节点的waitStatus 为-1,同时挂起当前线程 21 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 22 parkAndCheckInterrupt()) 23 throw new InterruptedException(); 24 } 25 } finally { 26 if (failed) 27 cancelAcquire(node); 28 } 29 }
我们来仔细分析这个方法，线程 t3 经过第 1 步 第4行 addWaiter 入队以后，我们应该可以得到这个：
由于 tryAcquireShared 这个方法会返回 -1，所以 if (r >= 0) 这个分支不会进去。到 shouldParkAfterFailedAcquire 的时候，t3 将 head 的 waitStatus 值设置为 -1，如下：
然后进入到 parkAndCheckInterrupt 的时候，t3 挂起。
我们再分析 t4 入队，t4 会将前驱节点 t3 所在节点的 waitStatus 设置为 -1，t4 入队后，应该是这样的：
然后，t4 也挂起。接下来，t3 和 t4 就等待唤醒了。
接下来，我们来看唤醒的流程，我们假设用 10 初始化 CountDownLatch。
当然，我们的例子中，其实没有 10 个线程，只有 2 个线程 t1 和 t2，只是为了让图好看些罢了。
我们再一步步看具体的流程。首先，我们看 countDown() 方法:
1 public void countDown() { 2 sync.releaseShared(1); 3 } 4 public final boolean releaseShared(int arg) { 5 // 只有当 state 减为 0 的时候，tryReleaseShared 才返回 true 6 // 否则只是简单的 state = state - 1 那么 countDown 方法就结束了 7 if (tryReleaseShared(arg)) { 8 // 唤醒 await 的线程 9 doReleaseShared(); 10 return true; 11 } 12 return false; 13 } 14 // 这个方法很简单，用自旋的方法实现 state 减 1 15 protected boolean tryReleaseShared(int releases) { 16 for (;;) { 17 int c = getState(); 18 if (c == 0) 19 return false; 20 int nextc = c-1; 21 //通过CAS将state的值减1，失败就不会进入return,继续for循环，直至CAS成功 22 if (compareAndSetState(c, nextc)) 23 //state减到0就返回true,否则返回false 24 return nextc == 0; 25 } 26 }
countDown 方法就是每次调用都将 state 值减 1，如果 state 减到 0 了，那么就调用下面的方法进行唤醒阻塞队列中的线程：
1 // 调用这个方法的时候，state == 0 2 private void doReleaseShared() { 3 for (;;) { 4 Node h = head; 5 if (h != null && h != tail) { 6 int ws = h.waitStatus; 7 // t3 入队的时候，已经将头节点的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL（-1） 了 8 if (ws == Node.SIGNAL) { 9 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) 10 continue; // loop to recheck cases 11 // 就是这里，唤醒 head 的后继节点，也就是阻塞队列中的第一个节点 12 // 在这里，也就是唤醒 t3 , t3的await()方法可以接着运行了 13 unparkSuccessor(h); 14 } 15 else if (ws == 0 && 16 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) // todo 17 continue; // loop on failed CAS 18 } 19 //此时 h == head 说明被唤醒的 t3线程 还没有执行到await()方法中的setHeadAndPropagate(node, r)这一步,则此时循环结束; 20 //如果执行完setHeadAndPropagate(node, r)，则head就为t3了，这里的h和head就不相等，会继续循环 21 if (h == head) // loop if head changed 22 break; 23 } 24 }
一旦 t3 被唤醒后，我们继续回到 await 的这段代码，在第24行代码 parkAndCheckInterrupt 返回继续接着运行，我们先不考虑中断的情况：
1 private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) 2 throws InterruptedException { 3 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 4 boolean failed = true; 5 try { 6 for (;;) { 7 //p表示当前节点的前驱节点 8 final Node p = node.predecessor(); 9 //此时被唤醒的是之前head的后继节点，所以此线程的前驱节点是head 10 if (p == head) { 11 //此时state已经为0，r为1 12 int r = tryAcquireShared(arg); 13 if (r >= 0) { 14 // 2. 这里将唤醒t3的后续节点t4,以此类推，t4被唤醒后，会在t4的await中唤醒t4的后续节点 15 setHeadAndPropagate(node, r); 16 // 将已经唤醒的t3节点从队列中去除 17 p.next = null; // help GC 18 failed = false; 19 return; 20 } 21 } 22 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 23 // 1. 唤醒后这个方法返回 24 parkAndCheckInterrupt()) 25 throw new InterruptedException(); 26 } 27 } finally { 28 if (failed) 29 cancelAcquire(node); 30 } 31 }
接下来，t3 会循环一次进到 setHeadAndPropagate(node, r) 这个方法，先把 head 给占了，然后唤醒队列中其他的线程：
1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { 2 Node h = head; // Record old head for check below 3 setHead(node); 4 5 // 下面说的是，唤醒当前 node 之后的节点，即 t3 已经醒了，马上唤醒 t4 6 // 类似的，如果 t4 后面还有 t5，那么 t4 醒了以后，马上将 t5 给唤醒了 7 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || 8 (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { 9 Node s = node.next; 10 if (s == null || s.isShared()) 11 // 又是这个方法，只是现在的 head 已经不是原来的空节点了，是 t3 的节点了 12 doReleaseShared(); 13 } 14 }
又回到这个方法了，那么接下来，我们好好分析 doReleaseShared 这个方法，我们根据流程，头节点 head 此时是 t3 节点了：
1 // 调用这个方法的时候，state == 0 2 private void doReleaseShared() { 3 for (;;) { 4 Node h = head; 5 if (h != null && h != tail) { 6 int ws = h.waitStatus; 7 // t4 将头节点(此时是 t3)的 waitStatus 设置为 Node.SIGNAL（-1） 了 8 if (ws == Node.SIGNAL) { 9 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) 10 continue; // loop to recheck cases 11 // 就是这里，唤醒 head 的后继节点，也就是阻塞队列中的第一个节点 12 // 在这里，也就是唤醒 t4 13 unparkSuccessor(h); 14 } 15 else if (ws == 0 && 16 // 这个 CAS 失败的场景是：执行到这里的时候，刚好有一个节点入队，入队会将这个 ws 设置为 -1 17 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) 18 continue; // loop on failed CAS 19 } 20 // 如果到这里的时候，前面唤醒的线程已经占领了 head，那么再循环 21 // 否则，就是 head 没变，那么退出循环， 22 // 退出循环是不是意味着阻塞队列中的其他节点就不唤醒了？当然不是，唤醒的线程之后还是会在await()方法中调用此方法接着唤醒后续节点 23 if (h == head) // loop if head changed 24 break; 25 } 26 }
总结
总的来说，CountDownLatch 就是线程入队阻塞，依次唤醒的过程
使用过程会执行以下操作：
1.当创建一个CountDownLatch 的实例后，AQS中的state会设置一个正整数
2.一个线程调用await(),当前线程加入到阻塞队列中，当前线程挂起
3.一个线程调用countDown()唤醒方法，state减1,直到state被减为0时，唤醒阻塞队列中第一个等待节点中的线程
4.第一个线程被唤醒后，当前线程继续执行await()方法，将当前线程设置为head,并在此方法中唤醒head的下一个节点，依次类推
CyclicBarrier
字面意思是“可重复使用的栅栏”，CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说，要简单很多，其源码没有什么高深的地方，它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用。看如下示意图，CyclicBarrier 和 CountDownLatch 是不是很像，只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏，因为它的栅栏（Barrier）可以重复使用（Cyclic）。
首先，CyclicBarrier 的源码实现和 CountDownLatch 大相径庭，CountDownLatch 基于 AQS 的共享模式的使用，而 CyclicBarrier 基于 Condition 来实现。
因为 CyclicBarrier 的源码相对来说简单许多，读者只要熟悉了前面关于 Condition 的分析，那么这里的源码是毫无压力的，就是几个特殊概念罢了。
废话结束，先上基本属性和构造方法，往下拉一点点，和图一起看：
1 public class CyclicBarrier { 2 // 我们说了，CyclicBarrier 是可以重复使用的，我们把每次从开始使用到穿过栅栏当做"一代" 3 private static class Generation { 4 boolean broken = false; 5 } 6 7 /** The lock for guarding barrier entry */ 8 private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 9 // CyclicBarrier 是基于 Condition 的 10 // Condition 是“条件”的意思，CyclicBarrier 的等待线程通过 barrier 的“条件”是大家都到了栅栏上 11 private final Condition trip = lock.newCondition(); 12 13 // 参与的线程数 14 private final int parties; 15 16 // 如果设置了这个，代表越过栅栏之前，要执行相应的操作 17 private final Runnable barrierCommand; 18 19 // 当前所处的“代” 20 private Generation generation = new Generation(); 21 22 // 还没有到栅栏的线程数，这个值初始为 parties，然后递减 23 // 还没有到栅栏的线程数 = parties - 已经到栅栏的数量 24 private int count; 25 26 public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { 27 if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); 28 this.parties = parties; 29 this.count = parties; 30 this.barrierCommand = barrierAction; 31 } 32 33 public CyclicBarrier(int parties) { 34 this(parties, null); 35 }
我用一图来描绘下 CyclicBarrier 里面的一些概念：
现在开始分析最重要的等待通过栅栏方法 await 方法：
1 // 不带超时机制 2 public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { 3 try { 4 return dowait(false, 0L); 5 } catch (TimeoutException toe) { 6 throw new Error(toe); // cannot happen 7 } 8 } 9 // 带超时机制，如果超时抛出 TimeoutException 异常 10 public int await(long timeout, TimeUnit unit) 11 throws InterruptedException, 12 BrokenBarrierException, 13 TimeoutException { 14 return dowait(true, unit.toNanos(timeout)); 15 }
继续往里看：
1 private int dowait(boolean timed, long nanos) 2 throws InterruptedException, BrokenBarrierException, 3 TimeoutException { 4 final ReentrantLock lock = this.lock; 5 // 先要获取到锁，然后在 finally 中要记得释放锁 6 // 如果记得 Condition 部分的话，我们知道 condition 的 await 会释放锁，signal 的时候需要重新获取锁 7 lock.lock(); 8 try { 9 final Generation g = generation; 10 // 检查栅栏是否被打破，如果被打破，抛出 BrokenBarrierException 异常 11 if (g.broken) 12 throw new BrokenBarrierException(); 13 // 检查中断状态，如果中断了，抛出 InterruptedException 异常 14 if (Thread.interrupted()) { 15 breakBarrier(); 16 throw new InterruptedException(); 17 } 18 // index 是这个 await 方法的返回值 19 // 注意到这里，这个是从 count 递减后得到的值 20 int index = --count; 21 22 //最后一个线程到达后, 唤醒所有等待的线程，开启新的一代（设置新的generation） 23 // 如果等于 0，说明所有的线程都到栅栏上了，准备通过 24 if (index == 0) { // tripped 25 boolean ranAction = false; 26 try { 27 // 如果在初始化的时候，指定了通过栅栏前需要执行的操作，在这里会得到执行 28 final Runnable command = barrierCommand; 29 if (command != null) 30 command.run(); 31 // 如果 ranAction 为 true，说明执行 command.run() 的时候，没有发生异常退出的情况 32 ranAction = true; 33 // 唤醒等待的线程，然后开启新的一代 34 nextGeneration(); 35 return 0; 36 } finally { 37 if (!ranAction) 38 // 进到这里，说明执行指定操作的时候，发生了异常，那么需要打破栅栏 39 // 之前我们说了，打破栅栏意味着唤醒所有等待的线程，设置 broken 为 true，重置 count 为 parties 40 breakBarrier(); 41 } 42 } 43 44 // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out 45 // 如果是最后一个线程调用 await，那么上面就返回了 46 // 下面的操作是给那些不是最后一个到达栅栏的线程执行的 47 for (;;) { 48 try { 49 // 如果带有超时机制，调用带超时的 Condition 的 await 方法等待，直到最后一个线程调用 await 50 if (!timed) 51 //此线程会添加到Condition条件队列中，并在此阻塞 52 trip.await(); 53 else if (nanos > 0L) 54 nanos = trip.awaitNanos(nanos); 55 } catch (InterruptedException ie) { 56 // 如果到这里，说明等待的线程在 await（是 Condition 的 await）的时候被中断 57 if (g == generation && ! g.broken) { 58 // 打破栅栏 59 breakBarrier(); 60 // 打破栅栏后，重新抛出这个 InterruptedException 异常给外层调用的方法 61 throw ie; 62 } else { 63 Thread.currentThread().interrupt(); 64 } 65 } 66 67 // 唤醒后，检查栅栏是否是“破的” 68 if (g.broken) 69 throw new BrokenBarrierException(); 70 71 // 上面最后一个线程执行nextGeneration()后，generation被重写设置 72 // 我们要清楚，最后一个线程在执行完指定任务(如果有的话)，会调用 nextGeneration 来开启一个新的代 73 // 然后释放掉锁，其他线程从 Condition 的 await 方法中得到锁并返回，然后到这里的时候，其实就会满足 g != generation 的，因为最后一个到达的线程已经重写设置了generation 74 if (g != generation) 75 return index; 76 77 // 如果醒来发现超时了，打破栅栏，抛出异常 78 if (timed && nanos <= 0L) { 79 breakBarrier(); 80 throw new TimeoutException(); 81 } 82 } 83 } finally { 84 lock.unlock(); 85 } 86 }
我们看看怎么开启新的一代：
1 // 开启新的一代，当最后一个线程到达栅栏上的时候，调用这个方法来唤醒其他线程，同时初始化“下一代” 2 private void nextGeneration() { 3 // 首先，需要唤醒所有的在栅栏上等待的线程 4 trip.signalAll(); 5 // 更新 count 的值 6 count = parties; 7 // 重新生成“新一代” 8 generation = new Generation(); 9 }
看看怎么打破一个栅栏：
1 private void breakBarrier() { 2 // 设置状态 broken 为 true 3 generation.broken = true; 4 // 重置 count 为初始值 parties 5 count = parties; 6 // 唤醒所有已经在等待的线程 7 trip.signalAll(); 8 }
整个过程已经很清楚了。
下面我们来看看怎么得到有多少个线程到了栅栏上，处于等待状态：
1 public int getNumberWaiting() { 2 final ReentrantLock lock = this.lock; 3 lock.lock(); 4 try { 5 return parties - count; 6 } finally { 7 lock.unlock(); 8 } 9 }
判断一个栅栏是否被打破了，这个很简单，直接看 broken 的值即可：
1 public boolean isBroken() { 2 final ReentrantLock lock = this.lock; 3 lock.lock(); 4 try { 5 return generation.broken; 6 } finally { 7 lock.unlock(); 8 } 9 }
最后，我们来看看怎么重置一个栅栏：
1 public void reset() { 2 final ReentrantLock lock = this.lock; 3 lock.lock(); 4 try { 5 breakBarrier(); // break the current generation 6 nextGeneration(); // start a new generation 7 } finally { 8 lock.unlock(); 9 } 10 }
Semaphore
有了 CountDownLatch 的基础后，分析 Semaphore 会简单很多。Semaphore 是什么呢？它类似一个资源池（读者可以类比线程池），每个线程需要调用 acquire() 方法获取资源，然后才能执行，执行完后，需要 release 资源，让给其他的线程用。
套路解读：创建 Semaphore 实例的时候，需要一个参数 permits，这个基本上可以确定是设置给 AQS 的 state 的，然后每个线程调用 acquire 的时候，执行 state = state – 1，release 的时候执行 state = state + 1，当然，acquire 的时候，如果 state = 0，说明没有资源了，需要等待其他线程 release。
构造方法：
public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits); } public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); }
这里和 ReentrantLock 类似，用了公平策略和非公平策略。
看 acquire 方法：
public void acquire() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } public void acquireUninterruptibly() { sync.acquireShared(1); } public void acquire(int permits) throws InterruptedException { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.acquireSharedInterruptibly(permits); } public void acquireUninterruptibly(int permits) { if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException(); sync.acquireShared(permits); }
这几个方法也是老套路了，大家基本都懂了吧，这边多了两个可以传参的 acquire 方法，不过大家也都懂的吧，如果我们需要一次获取超过一个的资源，会用得着这个的。
我们接下来看不抛出 InterruptedException 异常的 acquireUninterruptibly() 方法吧：
public void acquireUninterruptibly() { sync.acquireShared(1); } public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); }
前面说了，Semaphore 分公平策略和非公平策略，我们对比一下两个 tryAcquireShared 方法：
1 // 公平策略： 2 protected int tryAcquireShared(int acquires) { 3 for (;;) { 4 // 区别就在于是不是会先判断是否有线程在排队，然后才进行 CAS 减操作 5 // 这个就不分析了，第一篇AQS中已经讲过 6 if (hasQueuedPredecessors()) 7 //进入到这里说明阻塞队列中已经有线程在等着获取资源 8 return -1; 9 int available = getState(); 10 int remaining = available - acquires; 11 //当remaining最小为0时，会CAS设置state为0,成功返回remaining 12 //当remaining小于0时，这里会直接返回remaining，这里不会执行compareAndSetState 13 if (remaining < 0 || 14 compareAndSetState(available, remaining)) 15 return remaining; 16 } 17 } 18 // 非公平策略： 19 protected int tryAcquireShared(int acquires) { 20 return nonfairTryAcquireShared(acquires); 21 } 22 final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) { 23 for (;;) { 24 int available = getState(); 25 int remaining = available - acquires; 26 if (remaining < 0 || 27 compareAndSetState(available, remaining)) 28 return remaining; 29 } 30 }
我们再回到 acquireShared 方法
1 public final void acquireShared(int arg) { 2 if (tryAcquireShared(arg) < 0) 3 doAcquireShared(arg); 4 }
当 tryAcquireShared(arg)大于或者等于0时，获取资源成功，接着执行acquire()后面的业务代码;
当 tryAcquireShared(arg) 返回小于 0 的时候，说明 state 已经小于 0 了（没资源了），此时 acquire 不能立马拿到资源，需要进入到阻塞队列等待,即执行上面第3行代码
1 private void doAcquireShared(int arg) { 2 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 3 boolean failed = true; 4 try { 5 boolean interrupted = false; 6 for (;;) { 7 final Node p = node.predecessor(); 8 if (p == head) { 9 int r = tryAcquireShared(arg); 10 if (r >= 0) { 11 setHeadAndPropagate(node, r); 12 p.next = null; // help GC 13 if (interrupted) 14 selfInterrupt(); 15 failed = false; 16 return; 17 } 18 } 19 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && 20 parkAndCheckInterrupt()) 21 interrupted = true; 22 } 23 } finally { 24 if (failed) 25 cancelAcquire(node); 26 } 27 }
这个方法我就不介绍了，前面有很多地方介绍过这个方法，线程挂起后等待有资源被 release 出来。接下来，我们就要看 release 的方法了：
1 // 任务介绍，释放一个资源 2 public void release() { 3 sync.releaseShared(1); 4 } 5 public final boolean releaseShared(int arg) { 6 if (tryReleaseShared(arg)) { 7 doReleaseShared(); 8 return true; 9 } 10 return false; 11 } 12 13 protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { 14 for (;;) { 15 int current = getState(); 16 int next = current + releases; 17 // 溢出，当然，我们一般也不会用这么大的数 18 if (next < current) // overflow 19 throw new Error("Maximum permit count exceeded"); 20 //释放资源后，将state的值又加上释放资源数 21 if (compareAndSetState(current, next)) 22 return true; 23 } 24 }
tryReleaseShared 方法总是会返回 true，此时state的资源数已经加上了，然后是 doReleaseShared，这个也是我们熟悉的方法了，我就贴下代码，不分析了，这个方法用于唤醒所有的等待线程中的第一个等待的线程：
1 private void doReleaseShared() { 2 for (;;) { 3 Node h = head; 4 if (h != null && h != tail) { 5 int ws = h.waitStatus; 6 if (ws == Node.SIGNAL) { 7 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) 8 continue; // loop to recheck cases 9 unparkSuccessor(h); 10 } 11 else if (ws == 0 && 12 !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) 13 continue; // loop on failed CAS 14 } 15 if (h == head) // loop if head changed 16 break; 17 } 18 }
第一个等待的线程被唤醒后，doReleaseShared终止，接着doAcquireShared()方法被唤醒接着运行，如果资源还够用，则唏嘘唤醒下一个等待节点，可以看到doAcquireShared()方法中第11行处 设置当前节点为head节点，并唤醒下一个等待节点
Semphore 的源码确实很简单，方法都和CountDownLatch 中差不多，基本上都是分析过的老代码的组合使用了。