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本篇文章的來源是這樣，有一天，我一同學面試某公司回來，和我分享其被問的相關面試題。其中就有一道關於Semaphore的面試題，個人覺得比較經典，分享出來供大家參考。
具體同學和面試官的對話還原出來是這樣。
面試官：現在有一個方法task，希望只能被10個線程調用，利用Java相關類，應該如何來實現？
同學：使用Java中的Semaphore類來實現，當一個線程調用方法task之前先從Semaphore申請令牌，如果申請到了，則調用task方法，調用完之後釋放令牌供其他的線程使用，如果沒有，則阻塞等待。
面試官：Semaphore中申請令牌、釋放令牌的方法叫什麼？
同學：acquire、release方法
面試官：semaphore初始化有10個令牌，11個線程同時各調用1次acquire方法，會發生什麼？
同學：拿不到令牌的線程阻塞，不會繼續往下運行。
面試官.semaphore初始化有10個令牌，一個線程重複調用11次acquire方法，會發生什麼？
同學：稍微有點蒙，因爲考慮到了鎖的重入問題，不知道令牌會不會和鎖一樣，是可以重入的。注：筆者留給大家思考，後面會給出答案。
面試官：semaphore初始化有1個令牌，1個線程調用一次acquire方法，然後調用兩次release方法，之後另外一個線程調用acquire(2)方法，此線程能夠獲取到足夠的令牌並繼續運行嗎？
同學：額，比較蒙，一個線程獲取一個令牌然後釋放兩個令牌，Semaphore會允許嗎？同學回答應該不允許拿一個令牌然後釋放多個令牌。注：筆者留給大家思考，後面會給出答案。
面試官.semaphore初始化有2個令牌，一個線程調用1次release方法，然後一次性獲取3個令牌，會獲取到嗎？
同學：額，繼續蒙。。。心裏想：不調用acquire方法來獲取令牌，直接調用release方法來釋放令牌，semaphore允許嗎？
到這裏，關於Semaphore的面試題就結束了，一問接一問，一環接一環，確實如果對Semaphore這個類沒有特別細緻的研究，回答起來是比較困難的。除了這個問題，還有其他的問題也相當經典，在後續的文章中，筆者會一一分析出來給大家分享，這樣一場精彩的面試，爲同學和面試官點贊。
下面回到Semaphore類，關於J.C.U包下Semaphore這個類，作爲Java程序員，應該或許都會聽說過和使用過。
這個類的作用：常常被用來控制訪問速率。
例如：對於某一種資源，我們希望其最多被N個線程同時訪問。
真實的場景：庫存秒殺限流。
具體代碼實現如下：
public class TestSemaphore {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
final Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
for (int index = 0; index < 10; index++) {
final int taskId = index;
executorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//1.獲取執行令牌，如果獲取不到，則阻塞
semaphore.acquire();
//2.執行任務
task();
//3.釋放令牌
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
executorService.shutdown();
}
public static void task() {
try {
System.out.println("task開始執行");
Thread.sleep(1000);
System.out.println("task執行結束");
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
看了上面的例子，對於Semaphore的使用，是比較簡單的。其大致過程如下：
1.調用acquire來獲取令牌，如果獲取到，則繼續運行，運行完成之後，調用release方法釋放令牌供後面的線程使用。
2.如果獲取不到，則等待，直到有令牌空閒出來，其纔會被喚醒然後獲取令牌之後繼續運行。
通過上面的示例，怎麼使用，我們應該都清楚了。那麼對於acquire、release方法的實現原理是怎麼樣的呢？如果有興趣，你可以去看一眼這個類的源碼，比較簡單，就是藉助了一個volatile的變量state，然後當調用acquire方法是，就是對state進行減一操作，由於state–操作不是原子性操作，因爲爲保證原子性，採用的是cas來完成。當調用release，就是對state進行加一操作，也是採用的cas來完成。
下面是acquire、release方法的部分核心代碼。
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
for (;;) {
int available = getState();
int remaining = available - acquires;
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
}
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
for (;;) {
int current = getState();
int next = current + releases;
if (next < current) // overflow
throw new Error("Maximum permit count exceeded");
if (compareAndSetState(current, next))
return true;
}
}
看完相關的實現原理，簡單來說：semaphore就是一個計算器。更具體、詳細的源碼分析可以參考相應的文章。
回到文章開頭的面試題
問題1.semaphore初始化有10個令牌，11個線程同時各調用1次acquire方法，會發生什麼？
答案：拿不到令牌的線程阻塞，不會繼續往下運行。
問題2.semaphore初始化有10個令牌，一個線程重複調用11次acquire方法，會發生什麼？
答案：線程阻塞，不會繼續往下運行。可能你會考慮類似於鎖的重入的問題，很好，但是，令牌沒有重入的概念。你只要調用一次acquire方法，就需要有一個令牌才能繼續運行。
問題3.semaphore初始化有1個令牌，1個線程調用一次acquire方法，然後調用兩次release方法，之後另外一個線程調用acquire(2)方法，此線程能夠獲取到足夠的令牌並繼續運行嗎？
答案：能，原因是release方法會添加令牌，並不會以初始化的大小爲準。
問題4.semaphore初始化有2個令牌，一個線程調用1次release方法，然後一次性獲取3個令牌，會獲取到嗎？
答案：能，原因是release會添加令牌，並不會以初始化的大小爲準。Semaphore中release方法的調用並沒有限制要在acquire後調用。
具體示例如下，如果不相信的話，可以運行一下下面的demo，在做實驗之前，筆者也認爲應該是不允許的。。
public class TestSemaphore2 {
public static void main(String[] args) {
int permitsNum = 2;
final Semaphore semaphore = new Semaphore(permitsNum);
try {
System.out.println("availablePermits:"+semaphore.availablePermits()+",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):"+semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
semaphore.release();
System.out.println("availablePermits:"+semaphore.availablePermits()+",semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS):"+semaphore.tryAcquire(3,1, TimeUnit.SECONDS));
}catch (Exception e) {
}
}
}
到這裏，關於Semaphore的分析，以及常見面試題的分析就結束了，希望對大家有一定的收穫。