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控制并发线程数的Semaphore

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JAVA

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信号量(Semaphore)

一个同步对象,用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。

  • 当线程完成一次对该semaphore对象的等待(wait)时,该计数值减一

  • 当线程完成一次对semaphore对象的释放(release)时,计数值加一

当计数值为0,则线程等待该semaphore对象不再能成功直至该semaphore对象变成signaled状态。

  • semaphore对象的计数值大于0,为signaled状态

  • 计数值等于0,为nonsignaled状态

semaphore对象适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源,是一种不需要使用忙碌等待(busy waiting)的方法。

信号量的概念是由荷兰计算机科学家艾兹赫尔·戴克斯特拉(Edsger W. Dijkstra)发明的,广泛的应用于不同的操作系统中。
在系统中,给予每一个进程一个信号量,代表每个进程目前的状态,未得到控制权的进程会在特定地方被强迫停下来,等待可以继续进行的信号到来。

  • 如果信号量是一个任意的整数,通常被称为计数信号量(Counting semaphore),或一般信号量(general semaphore)

  • 如果信号量只有二进制的0或1,称为二进制信号量(binary semaphore)。

  • 在linux系统中,二进制信号量(binary semaphore)又称互斥锁(Mutex)。

语法

计数信号量具备两种操作动作,之前称为 V(又称signal())与 P(wait())
V操作会增加信号量 S的数值,P操作会减少它。

运作方式:

  1. 初始化,给与它一个非负数的整数值

  2. 运行 P(wait()),信号量S的值将被减少。企图进入临界区块的进程,需要先运行 P(wait())。当信号量S减为负值时,进程会被挡住,不能继续;当信号量S不为负值时,进程可以获准进入临界区块。

  3. 运行 V(又称signal()),信号量S的值会被增加。结束离开临界区块的进程,将会运行 V(又称signal())。
    当信号量S不为负值时,先前被挡住的其他进程,将可获准进入临界区块

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。很多年以来,我都觉得从字面上很难理解Semaphore所表达的含义,只能把它比作是控制流量的红绿灯,比如XX马路要限制流量,只允许同时有一百辆车在这条路上行使,其他的都必须在路口等待,所以前一百辆车会看到绿灯,可以开进这条马路,后面的车会看到红灯,不能驶入XX马路,但是如果前一百辆中有五辆车已经离开了XX马路,那么后面就允许有5辆车驶入马路,这个例子里说的车就是线程,驶入马路就表示线程在执行,离开马路就表示线程执行完成,看见红灯就表示线程被阻塞,不能执行。

Semaphore翻译成字面意思为 信号量,Semaphore可以控同时访问的线程个数,通过 acquire() 获取一个许可,如果没有就等待,而 release() 释放一个许可。

提供了2个构造器


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  • permits表示许可数目,即同时可以允许多少线程进行访问

  • fair表示是否是公平的,即等待时间越久的越先获取许可

下面说一下Semaphore类中比较重要的几个方法,首先是acquire()、release()方法:


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获取一个许可


获取一个许可,若无许可能够获得,则会一直等待,直到获得许可。


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获取permits个许可


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释放一个许可


release()用来释放许可。注意,在释放许可之前,必须先获获得许可。

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释放permits个许可


这4个方法都会被阻塞,如果想立即得到执行结果,可以使用下面几个方法:


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尝试获取一个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //尝试获取一个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false

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尝试获取permits个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则立即返回false

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还可以通过availablePermits()方法得到可用的许可数目

应用场景

假若一个工厂有5台机器,但是有8个工人,一台机器同时只能被一个工人使用,只有使用完了,其他工人才能继续使用。那么我们就可以通过Semaphore来实现:

public class Test {    public static void main(String[] args) {        int N = 8;            //工人数
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5); //机器数目
        for(int i=0;i<N;i++)            new Worker(i,semaphore).start();
    } 
    static class Worker extends Thread{        private int num;        private Semaphore semaphore;        public Worker(int num,Semaphore semaphore){            this.num = num;            this.semaphore = semaphore;
        } 
        @Override
        public void run() {            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人"+this.num+"占用一个机器在生产...");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println("工人"+this.num+"释放出机器");
                semaphore.release();           
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

输出

工人0占用一个机器在生产...
工人1占用一个机器在生产...
工人2占用一个机器在生产...
工人4占用一个机器在生产...
工人5占用一个机器在生产...
工人0释放出机器
工人2释放出机器
工人3占用一个机器在生产...
工人7占用一个机器在生产...
工人4释放出机器
工人5释放出机器
工人1释放出机器
工人6占用一个机器在生产...
工人3释放出机器
工人7释放出机器
工人6释放出机器

Semaphore可以用于做流量控制,特别公用资源有限的应用场景,比如数据库连接。假如有一个需求,要读取几万个文件的数据,因为都是I/O密集型任务,我们可以启动几十个线程并发的读取,但是如果读到内存后,还需要存储到数据库中,而数据库的连接数只有10个,这时我们必须控制只有十个线程同时获取数据库连接保存数据,否则会报错无法获取数据库连接。这个时候,我们就可以使用Semaphore来做流控,代码如下:

public class SemaphoreTest {    private static final int THREAD_COUNT = 30;    private static ExecutorService threadPool = Executors
            .newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);    private static Semaphore s = new Semaphore(10);    public static void main(String[] args) {        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {                @Override
                public void run() {                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("save data");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
            });
        }

        threadPool.shutdown();
    }
}

在代码中,虽然有30个线程在执行,但是只允许10个并发的执行。Semaphore的构造方法Semaphore(int permits) 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。Semaphore的用法也很简单,首先线程使用Semaphore的acquire()获取一个许可证,使用完之后调用release()归还许可证。还可以用tryAcquire()方法尝试获取许可证。

其他方法

Semaphore还提供一些其他方法:
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。



作者:芥末无疆sss
链接:https://www.jianshu.com/p/834859d6f89d
來源:简书
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