layout

面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》

作者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn

沉淀、分享、成长，让自己和他人都能有所收获！😄

一、前言

学Java怎么能，突飞猛进的成长？

是不是你看见过的突飞猛进都是别人，但自己却很难！

其实并没有一天的突飞猛进，也没有一口吃出来的胖子。有得更多的时候日积月累、不断沉淀，最后才能爆发、破局！

举个简单的例子，如果你大学毕业时候已经写了40万行代码，还找不到工作吗？但40万行平均到每天并不会很多，重要的是持之以恒的坚持。

二、面试题

谢飞机，小记！ 东风吹、战鼓擂，不加班、谁怕谁！哈哈哈，找我大哥去。

谢飞机：喂，大哥。我女友面试卡住了，强人锁难，锁我也不会！

面试官：你不应该不会呀，问你一个，基于 AQS 实现的锁都有哪些？

谢飞机：嗯，有 ReentrantLock...

面试官：还有呢？

谢飞机：好像想不起来了，sync也不是！

面试官：哎，学点漏点，不思考、不总结、不记录。你这样人家面试你就没法聊了，最起码你要有点深度。

谢飞机：嘿嘿，记住了。来我家吃火锅吧，细聊。

三、共享锁和 AQS

1. 基于 AQS 实现的锁有哪些？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer），是 Java 并发包中非常重要的一个类，大部分锁的实现也是基于 AQS 实现的，包括：

ReentrantLock，可重入锁。这个是我们最开始介绍的锁，也是最常用的锁。通常会与 synchronized 做比较使用。
ReentrantReadWriteLock，读写锁。读锁是共享锁、写锁是独占锁。
Semaphore，信号量锁。主要用于控制流量，比如：数据库连接池给你分配10个链接，那么让你来一个连一个，连到10个还没有人释放，那你就等等。
CountDownLatch，闭锁。Latch 门闩的意思，比如：说四个人一个漂流艇，坐满了就推下水。

这一章节我们主要来介绍 Semaphore ，信号量锁的实现，其实也就是介绍一个关于共享锁的使用和源码分析。

2. Semaphore 共享锁使用

Semaphore semaphore = new Semaphore(2, false); // 构造函数入参，permits：信号量、fair：公平锁/非公平锁
for (int i = 0; i < 8; i++) {
    new Thread(() -> {
        try {
            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "蹲坑");
            Thread.sleep(1000L);
        } catch (InterruptedException ignore) {
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }, "蹲坑编号：" + i).start();
}

这里我们模拟了一个在高速服务区，厕所排队蹲坑的场景。由于坑位有限，为了避免造成拥挤和踩踏，保安人员在门口拦着，感觉差不多，一次释放两个进去，一直到都释放。你也可以想成早上坐地铁上班，或者旺季去公园，都是一批一批的放行

测试结果

蹲坑编号：0蹲坑
蹲坑编号：1蹲坑

蹲坑编号：2蹲坑
蹲坑编号：3蹲坑

蹲坑编号：4蹲坑
蹲坑编号：5蹲坑

蹲坑编号：6蹲坑
蹲坑编号：7蹲坑

Process finished with exit code 0

Semaphore 的构造函数可以传递是公平锁还是非公平锁，最终的测试结果也不同，可以自行尝试。
测试运行时，会先输出0坑、1坑，之后2坑、3坑...，每次都是这样两个，两个的释放。这就是 Semaphore 信号量锁的作用。

3. Semaphore 源码分析

3.1 构造函数

public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}

public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

permits：n. 许可证，特许证(尤指限期的)

默认情况下只需要传入 permits 许可证数量即可，也就是一次允许放行几个线程。构造函数会创建非公平锁。如果你需要使用 Semaphore 共享锁中的公平锁，那么可以传入第二个构造函数的参数 fair = false/true。true：FairSync，公平锁。在我们前面的章节已经介绍了公平锁相关内容和实现，以及CLH、MCS 《公平锁介绍》

初始许可证数量

FairSync/NonfairSync(int permits) {
    super(permits);
}

Sync(int permits) {
    setState(permits);
}

protected final void setState(int newState) {
    state = newState;
}

在构造函数初始化的时候，无论是公平锁还是非公平锁，都会设置 AQS 中 state 数量值。这个值也就是为了下文中可以获取的信号量扣减和增加的值。

3.2 acquire 获取信号量

方法	描述
`semaphore.acquire()`	一次获取一个信号量，响应中断
`semaphore.acquire(2)`	一次获取n个信号量，响应中断（一次占2个坑）
`semaphore.acquireUninterruptibly()`	一次获取一个信号量，不响应中断
`semaphore.acquireUninterruptibly(2)`	一次获取n个信号量，不响应中断

其实获取信号量的这四个方法，主要就是，一次获取几个和是否响应中断的组合。
semaphore.acquire()，源码中实际调用的方法是， sync.acquireSharedInterruptibly(1)。也就是相应中断，一次只占一个坑。
semaphore.acquire(2)，同理这个就是一次要占两个名额，也就是许可证。生活中的场景就是我给我朋友排的对，她来了，进来吧。

3.3 acquire 释放信号量

方法	描述
`semaphore.release()`	一次释放一个信号量
`semaphore.release(2)`	一次获取n个信号量

有获取就得有释放，获取了几个信号量就要释放几个信号量。当然你可以尝试一下，获取信号量 semaphore.acquire(2) 两个，释放信号量 semaphore.release(1)，看看运行效果

3.4 公平锁实现

信号量获取过程，一直到公平锁实现。semaphore.acquire -> sync.acquireSharedInterruptibly(permits) -> tryAcquireShared(arg)

semaphore.acquire(1);

public void acquire(int permits) throws InterruptedException {
    if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
    sync.acquireSharedInterruptibly(permits);
}

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

FairSync.tryAcquireShared

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

hasQueuedPredecessors，公平锁的主要实现逻辑都在于这个方法的使用。它的目的就是判断有线程排在自己前面没，以及把线程添加到队列中的逻辑实现。在前面我们介绍过CLH等实现，可以往前一章节阅读
for (;;)，是一个自旋的过程，通过 CAS 来设置 state 偏移量对应值。这样就可以避免多线程下竞争获取信号量冲突。
getState()，在构造函数中已经初始化 state 值，在这里获取信号量时就是使用 CAS 不断的扣减。
另外需要注意，共享锁和独占锁在这里是有区别的，独占锁直接返回true/false，共享锁返回的是int值。
- 如果该值小于0，则当前线程获取共享锁失败。
- 如果该值大于0，则当前线程获取共享锁成功，并且接下来其他线程尝试获取共享锁的行为很可能成功。
- 如果该值等于0，则当前线程获取共享锁成功，但是接下来其他线程尝试获取共享锁的行为会失败。

3.5 非公平锁实现

NonfairSync.nonfairTryAcquireShared

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState();
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

有了公平锁的实现，非公平锁的理解就比较简单了，只是拿去了 if (hasQueuedPredecessors()) 的判断操作。
其他的逻辑实现都和公平锁一致。

3.6 获取信号量失败，加入同步等待队列

在公平锁和非公平锁的实现中，我们已经看到正常获取信号量的逻辑。那么如果此时不能正常获取信号量呢？其实这部分线程就需要加入到同步队列。

doAcquireSharedInterruptibly

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
    throws InterruptedException {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                throw new InterruptedException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

首先 doAcquireSharedInterruptibly 方法来自 AQS 的内部方法，与我们在学习竞争锁时有部分知识点相同，但也有一些差异。比如：addWaiter(Node.SHARED)，tryAcquireShared，我们主要介绍下这内容。
Node.SHARED，其实没有特殊含义，它只是一个标记作用，用于判断是否共享。final boolean isShared() { return nextWaiter == SHARED; }
tryAcquireShared，主要是来自 Semaphore 共享锁中公平锁和非公平锁的实现。用来获取同步状态。
setHeadAndPropagate(node, r)，如果r > 0，同步成功后则将当前线程结点设置为头结点，同时 helpGC，p.next = null，断链操作。
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)，调整同步队列中 node 结点的状态，并判断是否应该被挂起。这在我们之前关于锁的文章中已经介绍。
parkAndCheckInterrupt()，判断是否需要被中断，如果中断直接抛出异常，当前结点请求也就结束。
cancelAcquire(node)，取消该节点的线程请求。

4. CountDownLatch 共享锁使用

CountDownLatch 也是共享锁的一种类型，之所以在这里体现下，是因为它和 Semaphore 共享锁，既相似有不同。

CountDownLatch 更多体现的组团一波的思想，同样是控制人数，但是需要够一窝。比如：我们说过的4个人一起上皮划艇、两个人一起上跷跷板、2个人一起蹲坑我没见过，这样的方式就是门闩 CountDownLatch 锁的思想。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
    ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(10);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        exec.execute(() -> {
            try {
                int millis = new Random().nextInt(10000);
                System.out.println("等待游客上船，耗时：" + millis + "(millis)");
                Thread.sleep(millis);
            } catch (Exception ignore) {
            } finally {
                latch.countDown(); // 完事一个扣减一个名额
            }
        });
    }
    // 等待游客
    latch.await();
    System.out.println("船长急躁了，开船!");
    // 关闭线程池
    exec.shutdown();
}

这一个公园游船的场景案例，等待10个乘客上传，他们比较墨迹。
上一个扣减一个 latch.countDown()
等待游客都上船 latch.await()
最后船长开船！！急躁了

测试结果

等待游客上船，耗时：6689(millis)
等待游客上船，耗时：2303(millis)
等待游客上船，耗时：8208(millis)
等待游客上船，耗时：435(millis)
等待游客上船，耗时：9489(millis)
等待游客上船，耗时：4937(millis)
等待游客上船，耗时：2771(millis)
等待游客上船，耗时：4823(millis)
等待游客上船，耗时：1989(millis)
等待游客上船，耗时：8506(millis)
船长急躁了，开船!

Process finished with exit code 0

在你实际的测试中会发现，船长急躁了，开船!，会需要等待一段时间。
这里体现的就是门闩的思想，组队、一波带走。
CountDownLatch 的实现与 Semaphore 基本相同、细节略有差异，就不再做源码分析了。

四、总结

在有了 AQS、CLH、MCS，等相关锁的知识了解后，在学习其他知识点也相对容易。基本以上和前几章节关于锁的介绍，也是面试中容易问到的点。可能由于目前分布式开发较多，单机的多线程性能压榨一般较少，但是对这部分知识的了解非常重要
得益于Lee老爷子的操刀，并发包锁的设计真的非常优秀。每一处的实现都可以说是精益求精，所以在学习的时候可以把小傅哥的文章当作抛砖，之后继续深挖设计精髓，不断深入。
共享锁的使用可能平时并不多，但如果你需要设计一款类似数据库线程池的设计，那么这样的信号量锁的思想就非常重要了。所以在学习的时候也需要有技术迁移的能，不断把这些知识复用到实际的业务开发中。

Provide feedback

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

2020-11-18-面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》.md

2020-11-18-面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》.md

面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》

一、前言

二、面试题

三、共享锁和 AQS

1. 基于 AQS 实现的锁有哪些？

2. Semaphore 共享锁使用

3. Semaphore 源码分析

3.1 构造函数

3.2 acquire 获取信号量

3.3 acquire 释放信号量

3.4 公平锁实现

3.5 非公平锁实现

3.6 获取信号量失败，加入同步等待队列

4. CountDownLatch 共享锁使用

四、总结

Files

2020-11-18-面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》.md

Latest commit

History

2020-11-18-面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》.md

File metadata and controls

面经手册 · 第18篇《AQS 共享锁，Semaphore、CountDownLatch，听说数据库连接池可以用到！》

一、前言

二、面试题

三、共享锁 和 AQS

1. 基于 AQS 实现的锁有哪些？

2. Semaphore 共享锁使用

3. Semaphore 源码分析

3.1 构造函数

3.2 acquire 获取信号量

3.3 acquire 释放信号量

3.4 公平锁实现

3.5 非公平锁实现

3.6 获取信号量失败，加入同步等待队列

4. CountDownLatch 共享锁使用

四、总结

三、共享锁和 AQS