原创

java高并发系列 - 第15天:JUC中的Semaphore(信号量)用于控制并发访问线程数

这是java高并发系列第15篇文章。

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

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 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!
 */
public class Demo1 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",释放许可!");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new T("t-" + i).start();
        }
    }
}

输出:

1563715791327,t-0,获取许可!
1563715791327,t-1,获取许可!
1563715794328,t-0,释放许可!
1563715794328,t-5,获取许可!
1563715794328,t-1,释放许可!
1563715794328,t-2,获取许可!
1563715797328,t-2,释放许可!
1563715797328,t-6,获取许可!
1563715797328,t-5,释放许可!
1563715797328,t-3,获取许可!
1563715800329,t-6,释放许可!
1563715800329,t-9,获取许可!
1563715800329,t-3,释放许可!
1563715800329,t-7,获取许可!
1563715803330,t-7,释放许可!
1563715803330,t-8,获取许可!
1563715803330,t-9,释放许可!
1563715803330,t-4,获取许可!
1563715806330,t-8,释放许可!
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:

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo2 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new T("t-" + i).start();
        }
    }
}

输出:

1563716603924,t-0,获取许可!
1563716603924,t-1,获取许可!
1563716606925,t-0,运行结束!
1563716606925,t-0,当前可用许可数量:0
1563716606925,t-1,运行结束!
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:

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo3 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                //休眠100秒
                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                semaphore.release();
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        t1.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t2 = new T("t2");
        t2.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t3 = new T("t3");
        t3.start();

        //给t2和t3发送中断信号
        t2.interrupt();
        t3.interrupt();
    }
}

输出:

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

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:

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo4 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            //获取许可是否成功
            boolean acquireSuccess = false;
            try {
                semaphore.acquire();
                acquireSuccess = true;
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                //休眠100秒
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (acquireSuccess) {
                    semaphore.release();
                }
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        t1.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t2 = new T("t2");
        t2.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t3 = new T("t3");
        t3.start();

        //给t2和t3发送中断信号
        t2.interrupt();
        t3.interrupt();
    }
}

输出:

1563717751655,t1,获取许可,当前可用许可数量:0
1563717753657,t3,当前可用许可数量:0
java.lang.InterruptedException
1563717753657,t2,当前可用许可数量:0
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)
    at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
    at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
java.lang.InterruptedException
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
    at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)
    at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)
1563717756656,t1,运行结束!
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:

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
        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:

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
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 */
public class Demo5 {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {
        public T(String name) {
            super(name);
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            //获取许可是否成功
            boolean acquireSuccess = false;
            try {
                //尝试在1秒内获取许可,获取成功返回true,否则返回false
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",尝试获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                acquireSuccess = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);
                //获取成功执行业务代码
                if (acquireSuccess) {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可成功,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                    //休眠5秒
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } else {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可失败,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (acquireSuccess) {
                    semaphore.release();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T t1 = new T("t1");
        t1.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t2 = new T("t2");
        t2.start();
        //休眠1秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        T t3 = new T("t3");
        t3.start();
    }
}

输出:

1563718410202,t1,尝试获取许可,当前可用许可数量:1
1563718410202,t1,获取许可成功,当前可用许可数量:0
1563718411203,t2,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
1563718412203,t3,尝试获取许可,当前可用许可数量:0
1563718412204,t2,获取许可失败,当前可用许可数量:0
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。

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