Semaphore.acquire()方法的底层原理

一、acquire() 的工作流程

当调用 acquire() 方法时，实际调用的是 AQS 的 acquireSharedInterruptibly(1) 方法。以下是其详细工作流程：

// acquire() -> sync.acquireSharedInterruptibly(1)，可中断
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 尝试获取通行证，获取成功返回 >= 0的值
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // 获取许可证失败，进入阻塞
        doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}

1、Semaphore.acquire()

public void acquire() throws InterruptedException {
    sync.acquireSharedInterruptibly(1); // 调用 AQS 的共享模式方法
}

2、AQS.acquireSharedInterruptibly(int arg)

public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
        throw new InterruptedException(); // 检查中断状态
    }
    if (tryAcquireShared(arg) < 0) { // 尝试获取许可
        doAcquireSharedInterruptibly(arg); // 许可不足，加入队列
    }
}

3、Semaphore.tryAcquireShared(int acquires)

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
    for (;;) {
        int available = getState(); // 当前剩余许可数
        int remaining = available - acquires; // 计算剩余许可
        if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) {
            return remaining; // 返回负数表示需要排队，非负数表示成功，需要通过 CAS 更新 state 变量（将available更新remaining）
        }
    }
}

4、doAcquireSharedInterruptibly(int arg)，许可不足，加入队列

  private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) {
      // 将调用 Semaphore.aquire 方法的线程，包装成 node 加入到 AQS 的阻塞队列中
      final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
      // 获取标记
      boolean failed = true;
      try {
          for (;;) {
              final Node p = node.predecessor();
              // 前驱节点是头节点可以再次获取许可
              if (p == head) {
                  // 再次尝试获取许可，【返回剩余的许可证数量】
                  int r = tryAcquireShared(arg);
                  if (r >= 0) {
                      // 成功后本线程出队（AQS）, 所在 Node设置为 head
                      // r 表示【可用资源数】, 为 0 则不会继续传播
                      setHeadAndPropagate(node, r); 
                      p.next = null; // help GC
                      failed = false;
                      return;
                  }
              }
              // 不成功, 设置上一个节点 waitStatus = Node.SIGNAL, 下轮进入 park 阻塞
              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
                  throw new InterruptedException();
          }
      } finally {
          // 被打断后进入该逻辑
          if (failed)
              cancelAcquire(node);
      }
  }

5、setHeadAndPropagate(Node node, int propagate)

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {    
    Node h = head;
    // 设置自己为 head 节点
    setHead(node);
    // propagate 表示有【共享资源】（例如共享读锁或信号量）
    // head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE，doReleaseShared 函数中设置的
    if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
        (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
        Node s = node.next;
        // 如果是最后一个节点或者是等待共享读锁的节点，做一次唤醒
        if (s == null || s.isShared())
            doReleaseShared();
    }
}

二、acquire() 的工作流程

当调用 acquire() 方法时，实际调用的是 AQS 的 acquireSharedInterruptibly(1) 方法。以下是其详细工作流程：

(1) 尝试获取许可

A、调用 tryAcquireShared(arg)：

• tryAcquireShared(arg) 是 AQS 的模板方法，由 Semaphore 实现

• 在 Semaphore 中，tryAcquireShared(arg) 的逻辑是检查当前剩余许可数 state 是否足够

  • 如果 state >= 1，通过 int remaining = available - acquires; 操作将 state 减 1。

  • 如果 state < 1，返回负数，表示许可不足。

B、CAS 操作：

• 使用 compareAndSetState(available, remaining) 方法原子性地更新 state 变量。

• 如果 CAS 成功，表示线程成功获取许可；否则，重试或进入排队逻辑。

(2) 加入等待队列

A、创建节点并加入队列：

• 如果 tryAcquireShared(arg) 返回负数（许可不足），线程会被封装为一个 Node 对象，加入 AQS 的 CLH 队列 尾部。

• CLH 队列是一个双向链表，用于管理等待线程。

B、自旋与阻塞：

• 线程在队列中自旋，尝试再次获取许可。

• 如果仍然无法获取许可，线程通过 LockSupport.park() 方法被挂起，进入阻塞状态。