頭條面試居然跟我扯了半小時的Semaphore-有解無憂

一個長頭發、穿著清爽的小姐姐，拿著一個嶄新的Mac筆記本向我走來，看著來勢洶洶，我心想著肯定是技術大佬吧！但是我也是一個才華橫溢的人，穩住我們能贏，

面試官：看你簡歷上有寫熟悉并發編程，Semaphore一定用過吧，跟我說說它！

我：Semaphore是JDK提供的一個同步工具，它通過維護若干個許可證來控制執行緒對共享資源的訪問，如果許可證剩余數量大于零時，執行緒則允許訪問該共享資源；如果許可證剩余數量為零時，則拒絕執行緒訪問該共享資源， Semaphore所維護的許可證數量就是允許訪問共享資源的最大執行緒數量，所以，執行緒想要訪問共享資源必須從Semaphore中獲取到許可證，

面試官：Semaphore有哪些常用的方法？

我：有acquire方法和release方法，當呼叫acquire方法時執行緒就會被阻塞，直到Semaphore中可以獲得到許可證為止，然后執行緒再獲取這個許可證，當呼叫release方法時將向Semaphore中添加一個許可證，如果有執行緒因為獲取許可證被阻塞時，它將獲取到許可證并被釋放；如果沒有獲取許可證的執行緒， Semaphore只是記錄許可證的可用數量，

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面試官：可以舉一個使用Semaphore的例子嗎？

我：張三、李四和王五和趙六4個人一起去飯店吃飯，不過在特殊時期洗手很重要，飯前洗手也是必須的，可是飯店只有2個洗手池，洗手池就是不能被同時使用的公共資源，這種場景就可以用到Semaphore，

面試官：可以簡單用代碼實作一下嗎？

我：當然可以，這是張三、李四、王五和趙六的顧客類：

package onemore.study.semaphore;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Customer implements Runnable {
    private Semaphore washbasin;
    private String name;

    public Customer(Semaphore washbasin, String name) {
        this.washbasin = washbasin;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss.SSS");
            Random random = new Random();

            washbasin.acquire();
            System.out.println(
            	sdf.format(new Date()) + " " + name + " 開始洗手...");
            Thread.sleep((long) (random.nextDouble() * 5000) + 2000);
            System.out.println(
            	sdf.format(new Date()) + " " + name + " 洗手完畢!");
            washbasin.release();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后，寫一個測驗類模擬一下他們洗手的程序：

package onemore.study.semaphore;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTester {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //飯店里只用兩個洗手池，所以初始化許可證的總數為2，
        Semaphore washbasin = new Semaphore(2);

        List<Thread> threads = new ArrayList<>(3);
        threads.add(new Thread(new Customer(washbasin, "張三")));
        threads.add(new Thread(new Customer(washbasin, "李四")));
        threads.add(new Thread(new Customer(washbasin, "王五")));
        threads.add(new Thread(new Customer(washbasin, "趙六")));
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
            Thread.sleep(50);
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
    }
}

運行以后的結果應該是這樣的：

06:51:54.416 李四 開始洗手...
06:51:54.416 張三 開始洗手...
06:51:57.251 張三 洗手完畢!
06:51:57.251 王五 開始洗手...
06:51:59.418 李四 洗手完畢!
06:51:59.418 趙六 開始洗手...
06:52:02.496 王五 洗手完畢!
06:52:06.162 趙六 洗手完畢!

可以看到，當已經有兩個人在洗手的時候，其他人就被阻塞，直到有人洗手完畢才是開始洗手，

面試官：對Semaphore的內部原理有沒有了解？

我：Semaphore內部主要通過AQS（AbstractQueuedSynchronizer）實作執行緒的管理，Semaphore在構造時，需要傳入許可證的數量，它最后傳遞給了AQS的state值，執行緒在呼叫acquire方法獲取許可證時，如果Semaphore中許可證的數量大于0，許可證的數量就減1，執行緒繼續運行，當執行緒運行結束呼叫release方法時釋放許可證時，許可證的數量就加1，如果獲取許可證時，Semaphore中許可證的數量為0，則獲取失敗，執行緒進入AQS的等待佇列中，等待被其它釋放許可證的執行緒喚醒，

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面試官：嗯，不錯，在您的代碼中，這4個人會按照執行緒啟動的順序洗手嘛？

我：不會按照執行緒啟動的順序洗手，有可能趙六比王五先洗手，

面試官：為什么會出現這種情況？

我：因為在我的代碼中，使用Semaphore的建構式是這個：

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

在這個建構式中，使用的是NonfairSync（非公平鎖），這個類不保證執行緒獲得許可證的順序，呼叫acquire方法的執行緒可以在一直等待的執行緒之前獲得一個許可證，

面試官：有沒有什么方法可保證他們的順序？

我：可以使用Semaphore的另一個建構式：

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

在呼叫構造方法時，fair引數傳入true，比如：

Semaphore washbasin = new Semaphore(2, true);

這樣使用的是FairSync（公平鎖），可以確保按照各個執行緒呼叫acquire方法的順序獲得許可證，

面試官：嗯，不錯，NonfairSync和FairSync有什么區別？為什么會造成這樣的效果？

我：這就涉及到NonfairSync和FairSync的內部實作了，

在NonfairSync中，acquire方法核心原始碼是：

final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
	//acquires引數默認為1，表示嘗試獲取1個許可證，
    for (;;) {
        int available = getState();
        //remaining是剩余的許可數數量，
        int remaining = available - acquires;
        //剩余的許可數數量小于0時，
        //當前執行緒進入AQS中的doAcquireSharedInterruptibly方法
        //等待可用許可證并掛起，直到被喚醒，
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

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release方法核心原始碼是：

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
	//releases引數默認為1，表示嘗試釋放1個許可證，
    for (;;) {
        int current = getState();
        //next是如果許可證釋放成功，可用許可證的數量，
        int next = current + releases;
        if (next < current) // overflow
            throw new Error("Maximum permit count exceeded");
        //如果許可證釋放成功，
        //當前執行緒進入到AQS的doReleaseShared方法，
        //喚醒佇列中等待許可的執行緒，
        if (compareAndSetState(current, next))
            return true;
    }
}

當一個執行緒A呼叫acquire方法時，會直接嘗試獲取許可證，而不管同一時刻阻塞佇列中是否有執行緒也在等待許可證，如果恰好有執行緒C呼叫release方法釋放許可證，并喚醒阻塞佇列中第一個等待的執行緒B，此時執行緒A和執行緒B是共同競爭可用許可證，不公平性就體現在：執行緒A沒任何等待就和執行緒B一起競爭許可證了，

而在FairSync中，acquire方法核心原始碼是：

protected int tryAcquireShared(int acquires) {
	//acquires引數默認為1，表示嘗試獲取1個許可證，
    for (;;) {
    	//檢查阻塞佇列中是否有等待的執行緒
        if (hasQueuedPredecessors())
            return -1;
        int available = getState();
        //remaining是剩余的許可數數量，
        int remaining = available - acquires;
        if (remaining < 0 ||
            compareAndSetState(available, remaining))
            return remaining;
    }
}

和非公平策略相比，FairSync中多一個對阻塞佇列是否有等待的執行緒的檢查，如果沒有，就可以參與許可證的競爭；如果有，執行緒直接被插入到阻塞佇列尾節點并掛起，等待被喚醒，

面試官：嗯，很不錯，馬上給你發offer，

本故事純屬虛構，如有雷同實屬巧合

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