AQS之信号量、闭锁、栅栏的使用和原理

1.信号量 Semaphore

信号量是操作系统中PV操作的原语在Java语言层面的一种实现，底层基于AQS实现。信号量用一个基数来表示资源的可用数量，每个线程可以获取一个或多个资源，资源为0时，请求的线程将阻塞。信号量常常用在限流的业务场景中。Semaphore s = new Semaphore(5);

1.1 信号量常用方法

        - void acquire() 阻塞模式获取资源。- boolean tryAcquire() 尝试获取资源，没有资源返回false。- void release() 释放资源。- int availablePermits() 返回信号量中当前可用的资源数量。- int getQueueLength() 返回正在等待获取资源的线程数量。- void reducePermit(int n) 减少n个资源。- Collection getQueuedThreads() 返回所有等待获取资源的线程集合。

1.2 信号量的AQS实现

        1. 线程尝试获取资源，检查资源是否充足，通过CAS机制进行修改state资源数量。2. 当线程遇到扣减失败，也就是资源不足时会进行入队park()。3. 入队前是否尝试再次获取，取决于是否公平，可以通过构造设置。4. 当有线程释放资源时，会尝试唤醒后继节点。5. 如果后继节点类型是SHARED(共享型)则唤醒的动作会向后传播，这是和lock不一样的地方。6. 共享型节点向后传播唤醒的原因是提高并发量，因为共享资源的释放有可能会释放多个，一次性唤醒多个有助于提高并发量，因为只唤醒一个的话，有可能被唤醒的这个消耗不了这么多共享资源，造成共享资源没人去抢。

2.闭锁(发令枪) CountDownLatch

闭锁常常用来实现模拟线程的并发，它可以让一组线程等待，然后一起并发执行；也可以让主线程等待子线程执行到某一个点的场景。类似的场景就像是百米赛跑的发令枪。闭锁持有一个计数器count(state)，当有线程countDown一下，计数器就会减1，当计数器减为0时所有的线程都会被释放。闭锁的计数器不会清零和重置，这一点和栅栏CyclicBarrier最大的不同。CountDownLatch c = new CountDownLatch(5);

2.1 闭锁的AQS实现

闭锁底层是靠AQS实现，但是闭锁没有提供公平和非公平的实现策略。闭锁的count计数器就是AQS的state标识字段，每次线程调用countDown()计数器就减1。await()会阻塞当前线程，直至计数器为0时有线程unpark他们。

2.2 闭锁和Thread.join()的区别

        - 闭锁和join()都能实现线程的等待，但是一个闭锁可以对应多个线程的等待，join是针对单个。- join()底层原理是不断检查线程的存活状态来实现，而线程的存活可能存在假死等。

2.3 闭锁和栅栏 CyclicBarrier的区别

        - 闭锁和栅栏都能实现单个or多个线程的等待，不过他们的目标初衷不同。- 闭锁的计数器只能使用一次，栅栏的计数器可以重置复位使用多次基数。- 闭锁能阻塞主线程，栅栏只会阻塞子线程。- 闭锁的目的是让多个线程执行完任务后再一起执行，栅栏是让一组线程进入到某个等待状态然后一起执行。- 闭锁是通过AQS共享锁实现，栅栏是通过ReentrantLock和Conditon组合完成。

3.栅栏 CyclicBarrier

栅栏可以实现让一组线程等待至某个状态后，再一起执行；当所有线程释放执行后，栅栏又可以循环利用，这是和闭锁最大的区别，底层也不单单是AQS实现，而是采用ReentrantLock和Condition实现。栅栏有个别称叫循环屏障。CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(5)；
CyclicBarrier c = new CyclicBarrier(5， Runnable barrierAction)；

3.1 栅栏的重要方法

        - public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)和CyclicBarrier(int parites)，parites代表线程数量，线程通过await()告诉栅栏它到达了屏障点。barrierAction标识线程到达屏障前优先执行barrierAction。- public int await();parties个线程调用了await()后，栅栏将释放，所有线程继续执行。不过这个方法有BrokenBarrierException异常，肯能是因为某个线程await()被中断或超时。- public int await(long timeout, TimeUnit unit);- public void reset();重置栅栏。

3.2 栅栏的实现

        - 通过parites拷贝AQS的state变量副本来完成栅栏的循环使用重置，state不会改变，改变的是parites副本。- 线程调用await()会进行lock.lock()，parites减1，然后进入到条件队列。- 线程释放lock锁后，会进行条件队列的park()。- 条件队列是一个单向链表，先来的线程在头，尾插法。- 当线程调用await()，parites-1,parites==0的时候调用条件队列的signalAll()，会将条件队列 按头至尾依次放入AQS的同步等待队列中，头结点就是当前活跃线程，然后unpark()所有节点。（条件队列的singal/singalAll是将条件队列的节点放入同步队列，等待同步队列的unpark()才会被从头唤醒）