前言
大家好，我是小郭，在工作中我们经常需要考虑对资源的使用，避免资源被过度使用或者资源没有被利用到而造成的问题，那我们该如何去限制访问某些资源的线程数目，从而对完成资源的保护。
1. 限制多线程同时操作的方式
concurrent包为我们提供了多种防止多线程同时操作一个资源的方法
- volatile
- 原子类
- Synchronized和Lock
- Semaphore
2. Semaphore是什么？
Semaphore被翻译为计数信号量，通常使用进行并发线程数量的限制，保证多个线程能够合理的使用资源。用大白话理解就是理解为红路灯。
官方的翻译：计数信号量。
从概念上讲，信号量维护一组许可证。 如有必要，每个acquire块都将阻塞直到获得许可为止，然后再获取它。 每个release添加一个许可证，从而有可能释放阻塞的获取者。 但是，没有使用实际的许可对象。 Semaphore只是保持可用数量的计数并采取相应措施。
3. 应用场景
公共资源有限的地方，我们就需要考虑限制的问题，防止过度的操作，带来的不良影响
例如：数据库连接
4. 如何使用Semaphore
没有进行控制的代码
public static void main(String[] args) { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5); IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{ try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo"); Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作"); })); executorService.shutdown(); }
输出结果
pool-1-thread-1gogogo pool-1-thread-3gogogo pool-1-thread-4gogogo pool-1-thread-2gogogo pool-1-thread-5gogogo pool-1-thread-1正在操作 pool-1-thread-5正在操作 pool-1-thread-5释放操作 pool-1-thread-2正在操作 pool-1-thread-2释放操作 pool-1-thread-3正在操作 pool-1-thread-3释放操作 pool-1-thread-4正在操作 pool-1-thread-4释放操作 pool-1-thread-1释放操作
进行改造使用我们的并发工具Semaphore
private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1,false); public static void main(String[] args) { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5); IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{ try { semaphore.acquire(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo"); Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } semaphore.release(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作"); })); executorService.shutdown(); }
输出结果
pool-1-thread-1gogogo pool-1-thread-1正在操作 pool-1-thread-1释放操作 pool-1-thread-2gogogo pool-1-thread-2正在操作 pool-1-thread-2释放操作 pool-1-thread-3gogogo pool-1-thread-3正在操作 pool-1-thread-3释放操作 pool-1-thread-4gogogo pool-1-thread-4正在操作 pool-1-thread-4释放操作 pool-1-thread-5gogogo pool-1-thread-5正在操作 pool-1-thread-5释放操作
我们在Semaphore的初始化参数中，设置了允许并发线程数量为1,表示只允许1个线程通过，当线程拿到许可证的时候进行执行，线程完成之后进行许可证的归还，给下一个进来的线程使用，直到任务结束。
5. Semaphore的主要方法和核心参数
核心参数
| 参数 | 含义 |
| permits | 允许并发线程数量 |
| fair | 是否公平锁 |
构造方法
代码如下：
默认是非公平锁，只要传入并发线程数量
public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits); } public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); }
核心方法
//从此信号量获取许可，先休眠，直到获得可用线程或者被中断 void acquire() throws InterruptedException //中断继续 void acquireUninterruptibly() //从此信号量获取设定线程数许可，先休眠，直到获得可用线程或者被中断 void acquire(int permits) //尝试获取许可，如果能够获取成功则立即返回true，否则，则返回false boolean tryAcquire() //和上面一样，设置了等待最长时间 boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) //释放许可 void release() //返回当前可用的许可证数 int availablePermits() //等待许可证数 int getQueueLength() //返回正在等待线程的合集 Collection<Thread> getQueuedThreads()
6. Semaphore的原理
实现的核心还是AQS的共享模式
Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
acquire()
//以共享模式获取，如果中断则中止. public final void acquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { //1. 通过首先检查中断状态，中断返回异常 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 2. 以共享模式获取，获取到了锁，接下去，执行，没有就排队 if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg); } //非公平模式共享锁获取 protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { //判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点的判断，获取不到返回-1 if (hasQueuedPredecessors()) return -1; //Semaphore用AQS的state变量的值代表可用许可数 int available = getState(); int remaining = available - acquires; //如果剩余许可数小于0或者CAS将当前可用许可数设置为剩余许可数成功，则返回成功许可数 if (remaining < 0 || compareAndSetState(available, remaining)) return remaining; } } private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { //加入等待队列 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { //自旋过程中的退出条件是是当前节点的前驱节点是头结点并且tryAcquireShared(arg) //返回值大于等于0即能成功获得同步状态 for (;;) { //获取前驱节点 final Node p = node.predecessor(); if (p == head) { //争夺锁 int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { //先把 head 给占了，然后唤醒队列中其他的线程 setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC failed = false; return; } } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) throw new InterruptedException(); } } finally { //失败的话，取消状态清除该节点 if (failed) cancelAcquire(node); } } //设置head的值，完成初始化工作 private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // Must initialize if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; if (compareAndSetTail(t, node)) { t.next = node; return t; } } } }
7. Semaphore需要注意的问题
- release()不能随便调用，调用一次就增加一次
permits the initial number of permits available. This value may be negative, in which case releases must occur before any acquires will be granted.
public class SemaphoreTest { private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1,false); public static void main(String[] args) { ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1); IntStream.range(0,5).forEach(i -> executorService.submit(() ->{ try { System.out.println("after:" + semaphore.availablePermits()); //semaphore.acquire(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "gogogo"); Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在操作"); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { semaphore.release(); System.out.println("before:" + semaphore.availablePermits()); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作"); } semaphore.release(); System.out.println("before:" + semaphore.availablePermits()); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放操作"); })); executorService.shutdown(); } } after:1 pool-1-thread-1gogogo pool-1-thread-1正在操作 before:2 pool-1-thread-1释放操作 after:2 pool-1-thread-1gogogo pool-1-thread-1正在操作 before:3 pool-1-thread-1释放操作 after:3 pool-1-thread-1gogogo pool-1-thread-1正在操作 before:4 pool-1-thread-1释放操作
- 信号量泄露，指的是申请了但是没有释放，这会导致进入临界区的线程数量就会越来越少，随着时间的推移，最后许可证数量不够用，会导致线程卡死。
建议：在操作的时候，我们尽可能在finally中进行 semaphore.release() 的操作。
总结
以上就是关于信号量的全部内容，总体看来，用法比较简单，在实际的工作中需要对线程进行控制的场景，我们可以将他作为一个方案。
Semaphere的使用就总结就到这里！如有问题，欢迎讨论，我们一起进步！
