JUC 提供的限流利器-Semaphore（信号量）

田维常

发布于 2020-04-22 11:30:17

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发布于 2020-04-22 11:30:17

在 JUC 包下，有一个 Semaphore 类，翻译成信号量，Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。Semaphore 跟锁（synchronized、Lock）有点相似，不同的地方是，锁同一时刻只允许一个线程访问某一资源，而 Semaphore 则可以控制同一时刻多个线程访问某一资源。

Semaphore（信号量）并不是 Java 语言特有的，几乎所有的并发语言都有。所以也就存在一个「信号量模型」的概念，如下图所示：

信号量模型

信号量模型比较简单，可以概括为：「一个计数器、一个队列、三个方法」。

计数器：记录当前还可以运行多少个资源访问资源。

队列：待访问资源的线程

「三个方法」：

「init()」：初始化计数器的值，可就是允许多少线程同时访问资源。
「up()」：计数器加1，有线程归还资源时，如果计数器的值大于或者等于 0 时，从等待队列中唤醒一个线程
「down()」：计数器减 1，有线程占用资源时，如果此时计数器的值小于 0 ，线程将被阻塞。

这三个方法都是原子性的，由实现方保证原子性。例如在 Java 语言中，JUC 包下的 Semaphore 实现了信号量模型，所以 Semaphore 保证了这三个方法的原子性。

Semaphore 是基于 AbstractQueuedSynchronizer 接口实现信号量模型的。AbstractQueuedSynchronizer 提供了一个基于 FIFO 队列，可以用于构建锁或者其他相关同步装置的基础框架，利用了一个 int 来表示状态，通过类似 acquire 和 release 的方式来操纵状态。关于 AbstractQueuedSynchronizer 更多的介绍，可以点击链接：

❝http://ifeve.com/introduce-abstractqueuedsynchronizer/ ❞

AbstractQueuedSynchronizer 在 Semaphore 类中的实现类如下：

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1192457210091910933L;

        Sync(int permits) {
            setState(permits);
        }

        final int getPermits() {
            return getState();
        }

        final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
            for (;;) {
                int available = getState();
                int remaining = available - acquires;
                if (remaining < 0 ||
                    compareAndSetState(available, remaining))
                    return remaining;
            }
        }

        protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current + releases;
                if (next < current) // overflow
                    throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return true;
            }
        }

        final void reducePermits(int reductions) {
            for (;;) {
                int current = getState();
                int next = current - reductions;
                if (next > current) // underflow
                    throw new Error("Permit count underflow");
                if (compareAndSetState(current, next))
                    return;
            }
        }

        final int drainPermits() {
            for (;;) {
                int current = getState();
                if (current == 0 || compareAndSetState(current, 0))
                    return current;
            }
        }
    }

在 Semaphore 类中，实现了两种信号量：「公平的信号量和非公平的信号量」，公平的信号量就是大家排好队，先到先进，非公平的信号量就是不一定先到先进，允许插队。非公平的信号量效率会高一些，所以默认使用的是非公平信号量。具体的可以查看 Semaphore 类实现源码。

Semaphore 类中，主要有以下方法：

// 构造方法，参数表示许可证数量，用来创建信号量
public Semaphore(int permits);
// 从信号量中获取许可，相当于获取到执行权
public void acquire() throws InterruptedException;
// 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
public boolean tryAcquire();
// 将许可还给信号量
public void release();

Semaphore 类的实现就了解的差不多了。可能你会有疑问 Semaphore 的应用场景是什么？Semaphore 可以用来限流（流量控制），在一些公共资源有限的场景下，Semaphore 可以派上用场。比如在做日志清洗时，可能有几十个线程在并发清洗，但是将清洗的数据存入到数据库时，可能只给数据库分配了 10 个连接池，这样两边的线程数就不对等了，我们必须保证同时只能有 10 个线程获取数据库链接，否则就会存在大量线程无法链接上数据库。

用 Semaphore 信号量来模拟这操作，代码如下：

public class SemaphoreDemo {
    /**
     * semaphore 信号量，可以限流
     *
     * 模拟并发数据库操作，同时有三十个请求，但是系统每秒只能处理 5 个
     */

    private static final int THREAD_COUNT = 30;

    private static ExecutorService threadPool = Executors
            .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
	// 初始化信号量，个数为 5
    private static Semaphore s = new Semaphore(5);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        // 获取许可
                        s.acquire();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 完成数据库操作 ,"+ new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss").format( new Date()));
                        // 休眠两秒钟，效果更直观
                        Thread.sleep(2000);
                        // 释放许可
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }
		// 关闭连接池
        threadPool.shutdown();
    }
}

运行效果如下：