Java高并发专题之15、UC中的Semaphore（信号量）

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Semaphore简介

Semaphore（信号量）为多线程协作提供了更为强大的控制方法，前面的文章中我们学了synchronized和重入锁ReentrantLock，这2种锁一次都只能允许一个线程访问一个资源，而信号量可以控制有多少个线程可以同时访问特定的资源。

Semaphore常用场景：限流

举个例子：

比如有个停车场，有5个空位，门口有个门卫，手中5把钥匙分别对应5个车位上面的锁，来一辆车，门卫会给司机一把钥匙，然后进去找到对应的车位停下来，出去的时候司机将钥匙归还给门卫。停车场生意比较好，同时来了100两车，门卫手中只有5把钥匙，同时只能放5辆车进入，其他车只能等待，等有人将钥匙归还给门卫之后，才能让其他车辆进入。

上面的例子中门卫就相当于Semaphore，车钥匙就相当于许可证，车就相当于线程。

Semaphore主要方法

  • Semaphore(int permits)：构造方法，参数表示许可证数量，用来创建信号量

  • Semaphore(int permits,boolean fair)：构造方法，当fair等于true时，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为公平信号量

  • void acquire() throws InterruptedException：从此信号量获取1个许可前线程将一直阻塞，相当于一辆车占了一个车位，此方法会响应线程中断，表示调用线程的interrupt方法，会使该方法抛出InterruptedException异常
  • void acquire(int permits) throws InterruptedException ：和acquire()方法类似，参数表示需要获取许可的数量；比如一个大卡车要入停车场，由于车比较大，需要申请3个车位才可以停放
  • void acquireUninterruptibly(int permits) ：和acquire(int permits) 方法类似，只是不会响应线程中断
  • boolean tryAcquire()：尝试获取1个许可，不管是否能够获取成功，都立即返回，true表示获取成功，false表示获取失败
  • boolean tryAcquire(int permits)：和tryAcquire()，表示尝试获取permits个许可
  • boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：尝试在指定的时间内获取1个许可，获取成功返回true，指定的时间过后还是无法获取许可，返回false
  • boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：和tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)类似，多了一个permits参数，表示尝试获取permits个许可
  • void release()：释放一个许可，将其返回给信号量，相当于车从停车场出去时将钥匙归还给门卫
  • void release(int n)：释放n个许可
  • int availablePermits()：当前可用的许可数

示例1：Semaphore简单的使用

  1. package com.itsoku.chat12;
  3. import java.util.concurrent.Semaphore;
  4. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  6. /**
  7.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  8.  */
  9. public class Demo1 {
  10.     static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
  12.     public static class T extends Thread {
  13.         public T(String name) {
  14.             super(name);
  15.         }
  17.         @Override
  18.         public void run() {
  19.             Thread thread = Thread.currentThread();
  20.             try {
  21.                 semaphore.acquire();
  22.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
  23.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
  24.             } catch (InterruptedException e) {
  25.                 e.printStackTrace();
  26.             } finally {
  27.                 semaphore.release();
  28.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",释放许可!");
  29.             }
  30.         }
  31.     }
  33.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  34.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  35.             new T("t-" + i).start();
  36.         }
  37.     }
  38. }

输出：

  1. 1563715791327,t-0,获取许可!
  2. 1563715791327,t-1,获取许可!
  3. 1563715794328,t-0,释放许可!
  4. 1563715794328,t-5,获取许可!
  5. 1563715794328,t-1,释放许可!
  6. 1563715794328,t-2,获取许可!
  7. 1563715797328,t-2,释放许可!
  8. 1563715797328,t-6,获取许可!
  9. 1563715797328,t-5,释放许可!
  10. 1563715797328,t-3,获取许可!
  11. 1563715800329,t-6,释放许可!
  12. 1563715800329,t-9,获取许可!
  13. 1563715800329,t-3,释放许可!
  14. 1563715800329,t-7,获取许可!
  15. 1563715803330,t-7,释放许可!
  16. 1563715803330,t-8,获取许可!
  17. 1563715803330,t-9,释放许可!
  18. 1563715803330,t-4,获取许可!
  19. 1563715806330,t-8,释放许可!
  20. 1563715806330,t-4,释放许可!

代码中new Semaphore(2)创建了许可数量为2的信号量，每个线程获取1个许可，同时允许两个线程获取许可，从输出中也可以看出，同时有两个线程可以获取许可，其他线程需要等待已获取许可的线程释放许可之后才能运行。为获取到许可的线程会阻塞在acquire()方法上，直到获取到许可才能继续。

示例2：获取许可之后不释放

门卫（Semaphore）有点呆，司机进去的时候给了钥匙，出来的时候不归还，门卫也不会说什么。最终结果就是其他车辆都无法进入了。

如下代码：

  1. package com.itsoku.chat12;
  3. import java.util.concurrent.Semaphore;
  4. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  6. /**
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  8.  */
  9. public class Demo2 {
  10.     static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
  12.     public static class T extends Thread {
  13.         public T(String name) {
  14.             super(name);
  15.         }
  17.         @Override
  18.         public void run() {
  19.             Thread thread = Thread.currentThread();
  20.             try {
  21.                 semaphore.acquire();
  22.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
  23.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
  24.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
  25.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  26.             } catch (InterruptedException e) {
  27.                 e.printStackTrace();
  28.             }
  29.         }
  30.     }
  32.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  33.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  34.             new T("t-" + i).start();
  35.         }
  36.     }
  37. }

输出：

  1. 1563716603924,t-0,获取许可!
  2. 1563716603924,t-1,获取许可!
  3. 1563716606925,t-0,运行结束!
  4. 1563716606925,t-0,当前可用许可数量:0
  5. 1563716606925,t-1,运行结束!
  6. 1563716606925,t-1,当前可用许可数量:0

上面程序运行后一直无法结束，观察一下代码，代码中获取许可后，没有释放许可的代码，最终导致，可用许可数量为0，其他线程无法获取许可，会在semaphore.acquire();处等待，导致程序无法结束。

示例3：释放许可正确的姿势

示例1中，在finally里面释放锁，会有问题么？

如果获取锁的过程中发生异常，导致获取锁失败，最后finally里面也释放了许可，最终会怎么样，导致许可数量凭空增长了。

示例代码：

  1. package com.itsoku.chat12;
  3. import java.util.concurrent.Semaphore;
  4. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  6. /**
  7.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  8.  */
  9. public class Demo3 {
  10.     static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
  12.     public static class T extends Thread {
  13.         public T(String name) {
  14.             super(name);
  15.         }
  17.         @Override
  18.         public void run() {
  19.             Thread thread = Thread.currentThread();
  20.             try {
  21.                 semaphore.acquire();
  22.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  23.                 //休眠100秒
  24.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
  25.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
  26.             } catch (InterruptedException e) {
  27.                 e.printStackTrace();
  28.             } finally {
  29.                 semaphore.release();
  30.             }
  31.             System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  32.         }
  33.     }
  35.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  36.         T t1 = new T("t1");
  37.         t1.start();
  38.         //休眠1秒
  39.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  40.         T t2 = new T("t2");
  41.         t2.start();
  42.         //休眠1秒
  43.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  44.         T t3 = new T("t3");
  45.         t3.start();
  47.         //给t2和t3发送中断信号
  48.         t2.interrupt();
  49.         t3.interrupt();
  50.     }
  51. }

输出：

  1. 1563717279058,t1,获取许可,当前可用许可数量:0
  2. java.lang.InterruptedException
  3. 1563717281060,t2,当前可用许可数量:1
  4.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)
  5. 1563717281060,t3,当前可用许可数量:2
  6.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
  7.     at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
  8.     at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)
  9. java.lang.InterruptedException
  10.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)
  11.     at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
  12.     at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)

程序中信号量许可数量为1，创建了3个线程获取许可，线程t1获取成功了，然后休眠100秒。其他两个线程阻塞在semaphore.acquire();方法处，代码中对线程t2、t3发送中断信号，我们看一下Semaphore中acquire的源码：

  1. public void acquire() throws InterruptedException

这个方法会响应线程中断，主线程中对t2、t3发送中断信号之后，acquire()方法会触发InterruptedException异常，t2、t3最终没有获取到许可，但是他们都执行了finally中的释放许可的操作，最后导致许可数量变为了2，导致许可数量增加了。所以程序中释放许可的方式有问题。需要改进一下，获取许可成功才去释放锁。

正确的释放锁的方式，如下：

  1. package com.itsoku.chat12;
  3. import java.util.concurrent.Semaphore;
  4. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  6. /**
  7.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  8.  */
  9. public class Demo4 {
  10.     static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
  12.     public static class T extends Thread {
  13.         public T(String name) {
  14.             super(name);
  15.         }
  17.         @Override
  18.         public void run() {
  19.             Thread thread = Thread.currentThread();
  20.             //获取许可是否成功
  21.             boolean acquireSuccess = false;
  22.             try {
  23.                 semaphore.acquire();
  24.                 acquireSuccess = true;
  25.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  26.                 //休眠100秒
  27.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
  28.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
  29.             } catch (InterruptedException e) {
  30.                 e.printStackTrace();
  31.             } finally {
  32.                 if (acquireSuccess) {
  33.                     semaphore.release();
  34.                 }
  35.             }
  36.             System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  37.         }
  38.     }
  40.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  41.         T t1 = new T("t1");
  42.         t1.start();
  43.         //休眠1秒
  44.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  45.         T t2 = new T("t2");
  46.         t2.start();
  47.         //休眠1秒
  48.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  49.         T t3 = new T("t3");
  50.         t3.start();
  52.         //给t2和t3发送中断信号
  53.         t2.interrupt();
  54.         t3.interrupt();
  55.     }
  56. }

输出：

  1. 1563717751655,t1,获取许可,当前可用许可数量:0
  2. 1563717753657,t3,当前可用许可数量:0
  3. java.lang.InterruptedException
  4. 1563717753657,t2,当前可用许可数量:0
  5.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)
  6.     at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
  7.     at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
  8. java.lang.InterruptedException
  9.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)
  10.     at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
  11.     at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
  12.     at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
  13. 1563717756656,t1,运行结束!
  14. 1563717756656,t1,当前可用许可数量:1

程序中增加了一个变量acquireSuccess用来标记获取许可是否成功，在finally中根据这个变量是否为true，来确定是否释放许可。

示例4：在规定的时间内希望获取许可

司机来到停车场，发现停车场已经满了，只能在外等待内部的车出来之后才能进去，但是要等多久，他自己也不知道，他希望等10分钟，如果还是无法进去，就不到这里停车了。

Semaphore内部2个方法可以提供超时获取许可的功能：

  1. public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
  2. public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
  3.         throws InterruptedException

在指定的时间内去尝试获取许可，如果能够获取到，返回true，获取不到返回false。

示例代码：

  1. package com.itsoku.chat12;
  3. import java.util.concurrent.Semaphore;
  4. import java.util.concurrent.TimeUnit;
  6. /**
  7.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  8.  */
  9. public class Demo5 {
  10.     static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
  12.     public static class T extends Thread {
  13.         public T(String name) {
  14.             super(name);
  15.         }
  17.         @Override
  18.         public void run() {
  19.             Thread thread = Thread.currentThread();
  20.             //获取许可是否成功
  21.             boolean acquireSuccess = false;
  22.             try {
  23.                 //尝试在1秒内获取许可，获取成功返回true，否则返回false
  24.                 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",尝试获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  25.                 acquireSuccess = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);
  26.                 //获取成功执行业务代码
  27.                 if (acquireSuccess) {
  28.                     System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可成功,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  29.                     //休眠5秒
  30.                     TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
  31.                 } else {
  32.                     System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可失败,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
  33.                 }
  34.             } catch (InterruptedException e) {
  35.                 e.printStackTrace();
  36.             } finally {
  37.                 if (acquireSuccess) {
  38.                     semaphore.release();
  39.                 }
  40.             }
  41.         }
  42.     }
  44.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  45.         T t1 = new T("t1");
  46.         t1.start();
  47.         //休眠1秒
  48.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  49.         T t2 = new T("t2");
  50.         t2.start();
  51.         //休眠1秒
  52.         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
  53.         T t3 = new T("t3");
  54.         t3.start();
  55.     }
  56. }

输出：

  1. 1563718410202,t1,尝试获取许可,当前可用许可数量:1
  2. 1563718410202,t1,获取许可成功,当前可用许可数量:0
  3. 1563718411203,t2,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
  4. 1563718412203,t3,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
  5. 1563718412204,t2,获取许可失败,当前可用许可数量:0
  6. 1563718413204,t3,获取许可失败,当前可用许可数量:0

代码中许可数量为1，semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);：表示尝试在1秒内获取许可，获取成功立即返回true，超过1秒还是获取不到，返回false。线程t1获取许可成功，之后休眠了5秒，从输出中可以看出t2和t3都尝试了1秒，获取失败。

其他一些使用说明

  1. Semaphore默认创建的是非公平的信号量，什么意思呢？这个涉及到公平与非公平。举个例子：5个车位，允许5个车辆进去，来了100辆车，只能进去5辆，其他95在外面排队等着。里面刚好出来了1辆，此时刚好又来了10辆车，这10辆车是直接插队到其他95辆前面去，还是到95辆后面去排队呢？排队就表示公平，直接去插队争抢第一个，就表示不公平。对于停车场，排队肯定更好一些咯。不过对于信号量来说不公平的效率更高一些，所以默认是不公平的。
  2. 建议阅读以下Semaphore的源码，对常用的方法有个了解，不需要都记住，用的时候也方便查询就好。
  3. 方法中带有throws InterruptedException声明的，表示这个方法会响应线程中断信号，什么意思？表示调用线程的interrupt()方法，会让这些方法触发InterruptedException异常，即使这些方法处于阻塞状态，也会立即返回，并抛出InterruptedException异常，线程中断信号也会被清除。
来源：http://itsoku.com/course/1/15
posted @ 2022-05-04 19:47  程序员小明1024  阅读(126)  评论(0)  编辑  收藏  举报