线程同步工具（一）控制并发访问资源

2021-08-28 19:43:22

声明：本文是《 Java 7 Concurrency Cookbook 》的第三章，作者： Javier Fernández González 译者：郑玉婷

控制并发访问资源

这个指南，你将学习怎样使用Java语言提供的Semaphore机制。Semaphore是一个控制访问多个共享资源的计数器。

Semaphore的内容是由Edsger Dijkstra引入并在 THEOS操作系统上第一次使用。

当一个线程想要访问某个共享资源，首先，它必须获得semaphore。如果semaphore的内部计数器的值大于0，那么semaphore减少计数器的值并允许访问共享的资源。计数器的值大于0表示，有可以*使用的资源，所以线程可以访问并使用它们。

另一种情况，如果semaphore的计数器的值等于0，那么semaphore让线程进入休眠状态一直到计数器大于0。计数器的值等于0表示全部的共享资源都正被线程们使用，所以此线程想要访问就必须等到某个资源成为*的。

当线程使用完共享资源时，他必须放出semaphore为了让其他线程可以访问共享资源。这个操作会增加semaphore的内部计数器的值。

在这个指南里，你将学习如何使用Semaphore类来实现一种比较特殊的semaphores种类，称为binary semaphores。这个semaphores种类保护访问共享资源的独特性，所以semaphore的内部计数器的值只能是1或者0。为了展示如何使用它，你将要实现一个PrintQueue类来让并发任务打印它们的任务。这个PrintQueue类会受到binary semaphore的保护，所以每次只能有一个线程可以打印。

准备

指南中的例子是使用Eclipse IDE 来实现的。如果你使用Eclipse 或者其他的IDE，例如NetBeans, 打开并创建一个新的java任务。

怎么做呢…

按照这些步骤来实现下面的例子：

01
//1.   创建一个会实现print queue的类名为 PrintQueue。

02

public class PrintQueue {

03
 
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//2.   声明一个对象为Semaphore，称它为semaphore。

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private final Semaphore semaphore;

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//3.   实现类的构造函数并初始能保护print quere的访问的semaphore对象的值。

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public PrintQueue(){

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    semaphore=new Semaphore(1);

10
}

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//4.   实现Implement the printJob()方法，此方法可以模拟打印文档，并接收document对象作为参数。

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public void printJob (Object document){

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//5.   在这方法内，首先，你必须调用acquire()方法获得demaphore。这个方法会抛出 InterruptedException异常，使用必须包含处理这个异常的代码。

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try {

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    semaphore.acquire();

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//6.   然后，实现能随机等待一段时间的模拟打印文档的行。

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long duration=(long)(Math.random()*10);

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System.out.printf("%s: PrintQueue: Printing a Job during %d seconds\n",Thread.currentThread().getName(),duration);

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Thread.sleep(duration);

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//7.    最后，释放semaphore通过调用semaphore的relaser()方法。

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} catch (InterruptedException e) {

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    e.printStackTrace();

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} finally {

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    semaphore.release();

29
}

30
 
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//8.   创建一个名为Job的类并一定实现Runnable 接口。这个类实现把文档传送到打印机的任务。

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public class Job implements Runnable {

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//9.   声明一个对象为PrintQueue，名为printQueue。

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private PrintQueue printQueue;

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//10. 实现类的构造函数，初始化这个类里的PrintQueue对象。

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public Job(PrintQueue printQueue){

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    this.printQueue=printQueue;

40
}

41
 
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//11. 实现方法run()。

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@Override

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public void run() {

45
 
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//12. 首先， 此方法写信息到操控台表明任务已经开始执行了。

47

System.out.printf("%s: Going to print a job\n",Thread. currentThread().getName());

48
 
49
//13. 然后，调用PrintQueue 对象的printJob()方法。

50

printQueue.printJob(new Object());

51
 
52
//14. 最后， 此方法写信息到操控台表明它已经结束运行了。

53

System.out.printf("%s: The document has been printed\n",Thread.currentThread().getName());

54
}

55
 
56
//15. 实现例子的main类，创建名为 Main的类并实现main()方法。

57

public class Main {

58

    public static void main (String args[]){

59
 
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//16. 创建PrintQueue对象名为printQueue。

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PrintQueue printQueue=new PrintQueue();

62
 
63
//17. 创建10个threads。每个线程会执行一个发送文档到print queue的Job对象。

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Thread thread[]=new Thread[10];

65

for (int i=0; i<10; i++){

66

thread[i]=new Thread(new Job(printQueue),"Thread"+i);

67
}

68
 
69
//18. 最后，开始这10个线程们。

70

for (int i=0; i<10; i++){

71
thread[i].start();

72
}

它是怎么工作的…

这个例子的关键是PrintQueue类的printJob()方法。此方法展示了3个你必须遵守的步骤当你使用semaphore来实现critical section时，并保护共享资源的访问：

1. 首先，你要调用acquire()方法获得semaphore。
2. 然后，对共享资源做出必要的操作。
3. 最后，调用release()方法来释放semaphore。

另一个重点是PrintQueue类的构造方法和初始化Semaphore对象。你传递值1作为此构造方法的参数，那么你就创建了一个binary semaphore。初始值为1，就保护了访问一个共享资源，在例子中是print queue。

当你开始10个threads，当你开始10个threads时，那么第一个获得semaphore的得到critical section的访问权。剩下的线程都会被semaphore阻塞直到那个获得semaphore的线程释放它。当这情况发生，semaphore在等待的线程中选择一个并给予它访问critical section的访问权。全部的任务都会打印文档，只是一个接一个的执行。

更多…

Semaphore类有另2个版本的 acquire() 方法：

acquireUninterruptibly()：acquire()方法是当semaphore的内部计数器的值为0时，阻塞线程直到semaphore被释放。在阻塞期间，线程可能会被中断，然后此方法抛出InterruptedException异常。而此版本的acquire方法会忽略线程的中断而且不会抛出任何异常。
tryAcquire()：此方法会尝试获取semaphore。如果成功，返回true。如果不成功，返回false值，并不会被阻塞和等待semaphore的释放。接下来是你的任务用返回的值执行正确的行动。

Semaphores的公平性

fairness的内容是指全java语言的所有类中，那些可以阻塞多个线程并等待同步资源释放的类（例如，semaphore)。默认情况下是非公平模式。在这个模式中，当同步资源释放，就会从等待的线程中任意选择一个获得资源，但是这种选择没有任何标准。而公平模式可以改变这个行为并强制选择等待最久时间的线程。

随着其他类的出现，Semaphore类的构造函数容许第二个参数。这个参数必需是 Boolean 值。如果你给的是 false 值，那么创建的semaphore就会在非公平模式下运行。如果你不使用这个参数，是跟给false值一样的结果。如果你给的是true值，那么你创建的semaphore就会在公平模式下运行。

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