AQS同步组件Semaphore信号量案例剖析

基本概念

Semaphore也是一个线程同步的辅助类，可以维护当前访问自身的线程个数，并提供了同步机制。使用Semaphore可以控制并发访问资源的线程个数。

例如排队买票的情况，如果只有三个窗口，那么同一时间最多也只能有三个人买票。第四个人来了之后就必须在后面等着，只有其他人买好了，才可以去相应的窗口进行买票 。

作用和使用场景

• 用于保证同一时间并发访问线程的数目。

• 信号量在操作系统中是很重要的概念，Java并发库里的Semaphore就可以很轻松的完成类似操作系统信号量的控制。Semaphore可以很容易控制系统中某个资源被同时访问的线程个数。

• 在数据结构中我们学过链表，链表正常是可以保存无限个节点的，而Semaphore可以实现有限大小的列表。

使用场景：仅能提供有限访问的资源。比如数据库连接。

源码分析

构造函数

/**
*接受一个整型的数字，表示可用的许可证数量。Semaphore（10）表*示允许10个线程获取许可证，
*也就是最大并发数是10。
*
* @param permits 可用许可证的初始数量。
**/
public Semaphore(int permits) {
       sync = new NonfairSync(permits);
}
/**
* 使用给定的许可数量和给定的公平性设置
*
* @param permits 可用许可证的初始数量。
*
* @param fair 指定是公平模式还是非公平模式,默认非公平模式 . 公平模式：先启动的线程优先得到
* 许可。 非公平模式：先启动的线程并不一定先获得许可，谁抢到谁就获得许可。
*/
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
   sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

常用方法

acquire() 获取一个许可

acquire(int permits) 获取指定个数的许可

tryAcquire()方法尝试获取1个许可证

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 最大等待许可的时间

tryAcquire(int permits) 获取指定个数的许可

tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 最大等待许可的时间

availablePermits() ： 返回此信号量中当前可用的许可证数

release() 释放许可

release(int permits) 释放指定个数的许可

int getQueueLength() 返回正在等待获取许可证的线程数。

boolean hasQueuedThreads() 是否有线程正在等待获取许可证。

void reducePermits(int reduction) 减少reduction个许可证。是个protected方法。

Collection getQueuedThreads() 返回所有等待获取许可证的线程集合。是个protected方法。

使用案例

acquire()获取单个许可

/**
    * 线程数量
    */
   private final static int threadCount = 15;
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
       final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
       for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
           final int threadNum = i;
           exec.execute(() -> {
               try {
                   //获取一个许可
                   semaphore.acquire();
                   test(threadNum);
                   //释放一个许可
                   semaphore.release();
               } catch (Exception e) {
                   log.error("exception", e);
               }
           });
       }
       exec.shutdown();
   }
   private static void test(int threadNum) throws Exception {
       // 模拟请求的耗时操作
       Thread.sleep(1000);
       log.info("{}", threadNum);
   }

输出结果：

根据输出结果的时间可以看出来同一时间最多只能3个线程执行，符合预期

acquire(int permits)获取多个许可

/**
    * 线程数量
    */
   private final static int threadCount = 15;
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
       //信号量设置为3，也就是最大并发量为3，同时只允许3个线程获得许可
       final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
       for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
           final int threadNum = i;
           exec.execute(() -> {
               try {
                   //获取多个许可
                   semaphore.acquire(3);
                   test(threadNum);
                   //释放多个许可
                   semaphore.release(3);
               } catch (Exception e) {
                   log.error("exception", e);
               }
           });
       }
       exec.shutdown();
   }
   private static void test(int threadNum) throws Exception {
       // 模拟请求的耗时操作
       Thread.sleep(1000);
       log.info("{}", threadNum);
   }

输出结果：

设置了3个许可，每个线程每次获取3个许可，因此同一时间只能有1个线程执行 。

tryAcquire()获取许可

tryAcquire()尝试获取一个许可,如果未获取到，不等待，将直接丢弃该线程不执行

/**
    * 线程数量
    */
   private final static int threadCount = 15;
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
       //信号量设置为3，也就是最大并发量为3，同时只允许3个线程获得许可
       final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
       for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
           final int threadNum = i;
           exec.execute(() -> {
               try {
                   //尝试获取一个许可,如果未获取到，不等待，将直接丢弃该线程不执行
                   if(semaphore.tryAcquire()) {
                       test(threadNum);
                       //释放许可
                       semaphore.release();
                   }
               } catch (Exception e) {
                   log.error("exception", e);
               }
           });
       }
       exec.shutdown();
   }
   private static void test(int threadNum) throws Exception {
       // 模拟请求的耗时操作
       Thread.sleep(1000);
       log.info("{}", threadNum);
   }

输出结果：

从输出可以看到，在3个线程获取到3个许可后，因为每个线程调用的方法要执行1秒中，最早的一个许可也要在1S后释放，剩下的17个线程未获取到许可，使用了semaphore.tryAcquire()方法，没有设置等待时间，所以便直接被丢弃，不执行了。

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)未获取到许可，设置等待时长

/**
    * 线程数量
    */
   private final static int threadCount = 15;
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
       //信号量设置为3，也就是最大并发量为3，同时只允许3个线程获得许可
       final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
       for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
           final int threadNum = i;
           exec.execute(() -> {
               try {
                   //设置了获取许可等待时间为2秒，如果两秒后还是未获得许可的线程便得不到执行
                   if(semaphore.tryAcquire(2000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                       test(threadNum);
                       //释放许可
                       semaphore.release();
                   }
               } catch (Exception e) {
                   log.error("exception", e);
               }
           });
       }
       exec.shutdown();
   }
   private static void test(int threadNum) throws Exception {
       // 模拟请求的耗时操作
       Thread.sleep(1000);
       log.info("{}", threadNum);
   }

输出结果：

tryAcquire通过参数指定了2秒的等待时间。 上述代码中同一时间最多执行3个。第4个线程因前3个线程执行需要耗时一秒未释放许可，因此需要等待。

但是由于设置了2秒的等待时间，所以在5秒内等待到了释放的许可，继续执行，循环往复。

但是15个线程 ，每秒并发3个，2S是执行不完的。所以上面执行到第6个（0开始，显示是5）就结束了，【每次执行结果会有差异，取决于CPU】，并没有全部执行完15个线程。

来源：https://juejin.cn/post/7129010239994593317