AQS源码解析之Semaphore的实现原理

# 1. 介绍AQS框架

## 1.1 AQS框架概述

在并发编程中，AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是一个非常重要的框架，它为实现同步器（如锁、信号量等）提供了强大的基础。AQS是Java并发包中的核心组件之一，它通过内置的FIFO队列来管理等待线程，以实现对共享资源的访问控制。

AQS框架通过内置的同步状态（即state）来表示共享资源的数量，利用CAS操作来实现对共享资源的安全访问。AQS提供了acquire和release两个核心方法，分别用于获取和释放共享资源。通过AQS框架，开发者可以方便地实现自定义的同步器，从而实现灵活而高效的并发控制。

## 1.2 AQS框架的核心组件

AQS框架的核心组件包括：
- 状态管理：AQS框架通过内置的同步状态（state）来表示共享资源的数量，它通过CAS操作来确保对共享资源的安全访问。
- FIFO队列：AQS使用FIFO队列来管理等待线程，保证公平性并有效地管理竞争线程。
- acquire方法：用于获取共享资源的方法，其中包括了可重入和不可重入的实现方式。
- release方法：用于释放共享资源的方法，它会唤醒等待队列中的线程并进行状态传播。

## 1.3 AQS框架的基本原理

AQS框架的基本原理是使用单个原子变量（即state）来表示共享资源的数量，并结合CAS操作来实现对共享资源的安全访问。在此基础上，AQS利用了模板方法模式，开发者只需实现自定义的同步器，通过覆写AQS的核心方法来实现灵活的并发控制。同时，AQS通过内置的FIFO队列来管理等待线程，保证了公平性和高效性。

AQS框架的基本原理在于将并发控制的实现抽象为了一系列模板方法和辅助类，为开发者提供了便利的方式来构建自定义的同步器。这种基于模板方法的设计，为AQS框架的灵活性和可扩展性提供了坚实的基础。

# 2. Semaphore简介与原理分析

### 2.1 Semaphore的概念和作用
Semaphore（信号量）是一种并发控制机制，用于限制同时访问某个资源或执行某段代码的线程数量。它维护一个计数器和一组等待队列，通过计数器的增减和线程的阻塞唤醒，实现对多线程资源访问的控制。

Semaphore的主要作用有两个：

- 控制并发线程数：当信号量的计数器为N时，最多允许N个线程同时获取该信号量，超过N个线程的请求将被阻塞。
- 保护共享资源：当信号量的计数器为1时，Semaphore可以作为互斥锁使用，保护共享资源的访问。

### 2.2 Semaphore的基本用法和特点
Semaphore的基本用法非常简单，主要包括两个方法：`acquire()`和`release()`。

- `acquire()`: 当线程需要获取Semaphore时，调用`acquire()`方法尝试获取资源。如果Semaphore的计数器大于0，表示有资源可用，线程可以继续执行；如果计数器为0，表示当前没有可用资源，线程将被阻塞，直到计数器大于0。在阻塞期间，其他线程可以调用`acquire()`方法获取资源，但是获取的资源数量受限于Semaphore的计数器大小。
- `release()`: 当线程使用完资源后，调用`release()`方法释放资源。该方法将递增Semaphore的计数器，并唤醒等待队列中的一个线程。

Semaphore有以下特点：
- Semaphore是非负整数，可以初始化为任意值。
- 通过计数器的增减和线程的阻塞唤醒来实现资源的控制。
- Semaphore采用先进先出（FIFO）的等待队列，保证等待线程的公平性。
- Semaphore的计数器可以动态地增加或减少。

### 2.3 Semaphore的实现原理概述
Semaphore的实现原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 初始化Semaphore的计数器。
2. 线程在获取Semaphore时调用`acquire()`方法，尝试获取资源。如果计数器大于0，则可以获取资源继续执行；否则，线程被阻塞，进入等待队列。
3. 当某个线程调用`release()`方法释放资源时，计数器递增，并从等待队列中唤醒一个或多个等待线程，使其继续执行。
4. 被唤醒的线程再次尝试获取Semaphore，并重新竞争资源。

Semaphore采用AQS（AbstractQueuedSynchronizer）作为底层框架实现，AQS提供了底层的队列管理和线程控制功能，Semaphore通过继承和重写AQS的方法实现并发控制。

在接下来的章节中，我们将详细分析Semaphore的源码结构和关键类，以及核心方法的实现原理。

# 3. Semaphore源码分析

在本章中，我们将深入分析Semaphore的源码结构和关键类，探讨Semaphore的核心方法以及其状态管理机制。

#### 3.1 Semaphore源码结构和关键类介绍

Semaphore类是Java并发包中用于控制并发访问的工具类，它基于AQS框架实现了对共享资源的访问限制。Semaphore的源码结构主要包括Semaphore类本身以及与AQS相关的类，关键类介绍如下：

- **Semaphore类**：Semaphore是使用AQS框架实现的一个计数信号量。它包含了对共享资源的访问控制，以及获取、释放许可的操作方法。在Semaphore类中，主要包括获取/释放许可的方法acquire/release、以及构造函数等。

- **AQS类**：AbstractQueuedSynchronizer是AQS框架的核心类，它提供了对并发控制相关的底层操作。Semaphore类通过继承AQS类，实现了共享资源的线程安全访问控制。AQS类中包括了对同步状态的管理和线程的阻塞/唤醒等操作。

- **Sync类**：Semaphore类中定义了一个内部类Sync，它继承自AQS类并实现了Semaphore的许可获取和释放逻辑。Sync类实际上是Semaphore实现的核心部分，它负责管理信号量的状态和操作。

// 以Java为例，以下是Semaphore类的部分源码示例

public class Semaphore {
    // 许可数量
    private final Sync sync;

    // 构造函数
    public Semaphore(int permits) {
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    // 内部类Sync
    static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

        // 获取许可
        final int acquireShared(int acquires) {
            // 省略具体实现
        }
        // 释放许可
        protected final boolean releaseShared(int releases) {
            // 省略具体实现
        }
    }
}

#### 3.2 Semaphore的核心方法分析

Semaphore类中包含了许多核心方法，其中最重要的是获取许可的acquire方法和释放许可的release方法。这些方法是Semaphore实现并发控制的核心逻辑，它们基于AQS框架提供了对共享资源的安全访问。

- **acquire方法**：acquire方法用于获取许可，当许可不足时会阻塞线程，直到有足够的许可可用。ac