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八、计数信号量 Semaphore

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Java 并发工具之 Semaphore

1. 前言

从本节开始,我们学习新一章内容 —— 同步工具。
本节带领大家认识第一个常用的 Java 并发工具类之 Semaphore。

本节先通过一个生活中的例子为大家通俗解释一下什么是 Semaphore 信号量,接着介绍 Semaphore 工具类的最基本用法,有了这些基本认识之后,给出 Semaphore 工具最常用的场合说明,然后通过简单的编码实现文中提到的生活案例,让大家有一个理性的认识,之后带领大家熟悉 Semaphore 最常用的一些编程方法,最后通过同类工具的比较,进一步加深对 Semaphore 工具类的理解。

Semaphore 工具类本身使用很简单,重点是对常用编程方法的准确理解。

当我们遇到各类需要做并发控制的场合时,怎么做到选取最合适的并发工具加以应用呢?唯有多加练习,不断总结各种并发工具之间的区别,透彻理解各类工具的应用场合,才能做到游刃有余,手到擒来。

下面我们正式开始介绍吧。

2. 概念解释

从 JDK1.5 开始提供,Java 官方就在 java.util.concurrent 并发包中提供了 Semaphore 工具类。

那什么是 “Semaphore” 呢?单词 “Semaphore” 在计算机世界中被解释为中文 “信号量” ,但更能表述其含义的叫法应该是 “许可证管理器”。不管叫什么中文名称,它就是一种计数信号量,用于管理一组资源,给资源的使用者规定一个量从而控制同一时刻的使用者数目。

这样的解释是不是很抽象?没关系,在此为大家举一个生活中通俗的例子,让大家先对 “信号量” 及其应用有一个感性的认识。

大家先观察一下下面过闸机的图例,回想一下我们平时过闸机的场景。
20210321215741619.jpg

(图片来自网络,图片版权归作者所有)

比如上图中过闸机就是信号量的基本运用。

上图中的乘客就类比是我们程序里面的各类线程,闸机就类比是一类线程需要使用的资源,而信号量就是某一时刻可用的闸机数量。

当某个时刻有乘客需要使用闸机过站时,首先他需要找到一台没有人使用的闸机,现实中他通过眼睛观察即可知道,在我们程序里面就是需要观察信号量,看能不能申请到代表可用闸机的信号量,如果能则表示有空闲闸机 (资源) 可用,否则需要等待其他乘客使用完毕 (信号量释放)后再使用。

概念我们已经了解了,那 Semaphore 工具类最基本的用法是怎样的呢?别急,看下面。

3. 基本用法

// 首先创建 Semaphore 对象
Semaphore semaphore = new Semaphore();
// 在资源操作开始之前,先获取资源的使用许可
semaphore.acquire();
...
// 在获取到资源后,利用资源进行业务处理
...
// 在资源操作完毕之后,释放资源的使用许可
semaphore.release();
...

是不是很简单,那 Semaphore 信号量在我们日常实践中,到底应该应用在哪些场合比较合适呢?下面我们给出最常用的场景说明。

4. 常用场景

Semaphore 经常用于限制同一时刻获取某种资源的线程数量,最为典型的就是做流量控制。

比如 WEB 服务器处理能力有限,需要控制网络请求接入的最大连接数,以防止过大的请求流量压垮我们的服务器,导致整个应用不能正常提供服务。

比如数据库服务器处理能力有限,需要控制数据库最大连接数,以防止大量某个应用过分占有数据库连接数,导致数据库服务器不能为其他的应用提供足够的连接请求。

当在研发过程中遇到类似这些场景时,就可以考虑直接应用 Semaphore 工具类辅助实现。

上面举的生活中过闸机的例子,如果用程序表达,该如何实现呢?在程序中如何使用 Semaphore 信号量达到控制和应用呢?最直接方式就是去感受最简单的例子,下面直接用最明了的代码说明例子中如何应用了信号量。

5. 场景案例

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest {

    // 先定义一个Semaphore信号量对象
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    // 测试方法
    public static void main(String[] args) {

        // 定义10个人过闸机
        for(int i=0; i<10; i++) {
            Person person = new Person(semaphore, i);
            new Thread(person).start();
        }
    }
}

在上面的代码中,先创建了一个 Semaphore 信号量对象,然后赋给了每一位进站旅客 Person ,接下来每一位旅客如何动作呢,看下面的代码。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Person implements Runnable {

    private Semaphore semaphore;
    private String persionName;

    public Person(Semaphore semaphore, int persionNo) {
        this.semaphore = semaphore;
        this.persionName = "旅客" + persionNo;
    }

    public void run() {
        try {
            // 请求获得信号量,就是请求(寻找)是否有可用的闸机
            semaphore.acquire();
            // 已经等到了可用闸机
            System.out.println(this.persionName + "已经占有一台闸机");
            // 进站
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 已经进站
            System.out.println(this.persionName + "已经进站");
            // 让出闸机给别人用
            semaphore.release();
        }
    }
}

在 Person 类中,首先通过 acquire 获取了可用闸机,然后休眠 2 秒代表刷卡过闸机,最后在 finally 使用 release 方法让出闸机。我们观察一下运行结果。

旅客0已经占有一台闸机  <---占据了一台
旅客1已经占有一台闸机  <---占据了一台
旅客6已经占有一台闸机  <---占据了一台
旅客0已经进站         <---0号旅客已经进站释放了闸机
旅客3已经占有一台闸机  <---3号旅客这个时候才拿到了可用闸机
旅客1已经进站         <---1号旅客已经进站释放了闸机
旅客2已经占有一台闸机  <---2号旅客这个时候才拿到了可用闸机
旅客6已经进站         <---6号旅客已经进站释放了闸机
旅客4已经占有一台闸机  <---4号旅客这个时候才拿到了可用闸机
旅客3已经进站
旅客4已经进站
旅客5已经占有一台闸机
旅客7已经占有一台闸机
旅客2已经进站
旅客8已经占有一台闸机
旅客7已经进站
旅客5已经进站
旅客9已经占有一台闸机
旅客8已经进站
旅客9已经进站

观察结果发现,同一时刻最多只能有 3 位旅客占用闸机进站,其他旅客需要等待其进站后让出闸机才能刷卡进站。

至此,大家对信号量已经有了初步的理解,接下来我们继续丰富对 Semaphore 工具类的认识。

6. 其他方法介绍

除过上面代码中使用的最基本的 acquire 方法和 release 方法之外,我们还需要掌握其他几个核心方法的使用。下面逐个介绍。

1、Semaphore(int permits, boolean fair)

上面的例子中使用了 Semaphore (int permits) 构造方法。
此构造方法也是用于创建信号量对象,第二个参数表示创建的信号量是否秉持公平竞争特性。即对资源的申请使用严格按照申请的顺序给予允许。

一般情况下,我们使用 Semaphore (int permits) 构造方法就可以了。

2、availablePermits()

返回当前还可用的许可数,即还允许多少个线程进行使用资源。套用在上面的例子中,就是返回当前还有多少台闸机空闲可用。

int availablePermits = semaphore.availablePermits();
System.out.println("当前可用闸机数" + availablePermits);

>>运行结果:
当前可用闸机数2
旅客0已经占有一台闸机
当前可用闸机数1
旅客1已经占有一台闸机
......

3、hasQueuedThreads()

返回是否有线程正在等待获取资源。也就是返回当前是否有人在排队等待过闸机。

boolean hasQueuedThreads = semaphore.hasQueuedThreads();
System.out.println("当前是否有旅客等待闸机进站:"+hasQueuedThreads);

>>运行结果:
当前是否有旅客等待闸机进站:false
旅客0已经占有一台闸机
当前是否有旅客等待闸机进站:false
旅客1已经占有一台闸机
当前是否有旅客等待闸机进站:false
旅客2已经占有一台闸机

4、acquire(int permits)

申请指定数目的信号量许可,在获取不到指定数目的许可时将一直阻塞。就好比一个旅客需要同时占用两个闸机过站。类似的 release (int permits) 方法用于释放指定数目的信号量许可。

acquire (int permits) 同上面例子中使用的 acquire () 最大的区别就是用于一次性申请多个许可,当参数 permits = 1 时,两者相同。release (int permits) 和 release () 也是类似。

5、tryAcquire()

尝试申请信号量许可,无论是否申请成功都返回申请结果。当申请成功时返回 true , 否则返回 false 。程序里面根据申请结果决定后继的处理流程。和 acquire () 的主要区别在于,不会阻塞立刻返回。

同类功能的方法还有 tryAcquire (int permits) 、tryAcquire (long timeout, TimeUnit unit) 、tryAcquire (int permits, long timeout, TimeUnit unit) 。这些方法实现的功能一样,只是可以更加精细化地控制对资源申请,比如申请超时控制、申请许可数量。

7. 工具对比

大家可能有一个疑问了,Semaphore 好像和 synchronized 关键字没什么区别,都可以实现同步。

其实不然,synchronized 真正用于并发控制,确保对某一个资源的串行访问;而 Semaphore 限制访问资源的线程数,其实并没有实现同步,只有当 Semaphore 限制的资源同时只允许一个线程访问时,两者达到的效果一样。

大家记住,Semaphore 和 synchronized 最主要的差别是 Semaphore 可以控制一个或多个并发,而 synchronized 只能是一个。这一点需要大家好好琢磨。

还是通过上面的例子的运行结果给大家做一下解释。

>>运行结果:
旅客0已经占有一台闸机  <-------
旅客1已经占有一台闸机  | 观察发现同时有多个并发执行,而非串行的一个旅客过完闸机后才轮到下一个旅客。
旅客2已经占有一台闸机  <-------
......

8. 小结

本节通过一个简单的例子,介绍了 Semaphore 的基本用法。另外对一些核心方法做了简单介绍并给出应用场景。希望大家在学习过程中,多思考勤练习,早日掌握之。

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