java高并发系列 - 第15天：JUC中的Semaphore，最简单的限流工具类，必备技能

2022-10-05 07:24:43

**这是java高并发系列第15篇文章 **

Semaphore（信号量）为多线程协作提供了更为强大的控制方法，前面的文章中我们学了synchronized和重入锁ReentrantLock，这2种锁一次都只能允许一个线程访问一个资源，而信号量可以控制有多少个线程可以同时访问特定的资源。

Semaphore常用场景：限流

举个例子：

比如有个停车场，有5个空位，门口有个门卫，手中5把钥匙分别对应5个车位上面的锁，来一辆车，门卫会给司机一把钥匙，然后进去找到对应的车位停下来，出去的时候司机将钥匙归还给门卫。停车场生意比较好，同时来了100两车，门卫手中只有5把钥匙，同时只能放5辆车进入，其他车只能等待，等有人将钥匙归还给门卫之后，才能让其他车辆进入。

上面的例子中门卫就相当于Semaphore，车钥匙就相当于许可证，车就相当于线程。

Semaphore主要方法

Semaphore(int permits)：构造方法，参数表示许可证数量，用来创建信号量
Semaphore(int permits,boolean fair)：构造方法，当fair等于true时，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为公平信号量
void acquire() throws InterruptedException：从此信号量获取1个许可前线程将一直阻塞，相当于一辆车占了一个车位，此方法会响应线程中断，表示调用线程的interrupt方法，会使该方法抛出InterruptedException异常
void acquire(int permits) throws InterruptedException ：和acquire()方法类似，参数表示需要获取许可的数量；比如一个大卡车要入停车场，由于车比较大，需要申请3个车位才可以停放
void acquireUninterruptibly(int permits) ：和acquire(int permits) 方法类似，只是不会响应线程中断
boolean tryAcquire()：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
boolean tryAcquire(int permits)：和tryAcquire()，表示尝试获取permits个许可
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：尝试在指定的时间内获取1个许可，获取成功返回true，指定的时间过后还是无法获取许可，返回false
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException：和tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)类似，多了一个permits参数，表示尝试获取permits个许可
void release()：释放一个许可，将其返回给信号量，相当于车从停车场出去时将钥匙归还给门卫
void release(int n)：释放n个许可
int availablePermits()：当前可用的许可数

示例1：Semaphore简单的使用

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

 * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！

 */

public class Demo1 {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            Thread thread = Thread.currentThread();

            try {

                semaphore.acquire();

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");

                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                semaphore.release();

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",释放许可!");

            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

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

            new T("t-" + i).start();

        }

    }

}

输出：

1563715791327,t-0,获取许可!

1563715791327,t-1,获取许可!

1563715794328,t-0,释放许可!

1563715794328,t-5,获取许可!

1563715794328,t-1,释放许可!

1563715794328,t-2,获取许可!

1563715797328,t-2,释放许可!

1563715797328,t-6,获取许可!

1563715797328,t-5,释放许可!

1563715797328,t-3,获取许可!

1563715800329,t-6,释放许可!

1563715800329,t-9,获取许可!

1563715800329,t-3,释放许可!

1563715800329,t-7,获取许可!

1563715803330,t-7,释放许可!

1563715803330,t-8,获取许可!

1563715803330,t-9,释放许可!

1563715803330,t-4,获取许可!

1563715806330,t-8,释放许可!

1563715806330,t-4,释放许可!

代码中new Semaphore(2)创建了许可数量为2的信号量，每个线程获取1个许可，同时允许两个线程获取许可，从输出中也可以看出，同时有两个线程可以获取许可，其他线程需要等待已获取许可的线程释放许可之后才能运行。为获取到许可的线程会阻塞在acquire()方法上，直到获取到许可才能继续。

示例2：获取许可之后不释放

门卫（Semaphore）有点呆，司机进去的时候给了钥匙，出来的时候不归还，门卫也不会说什么。最终结果就是其他车辆都无法进入了。

如下代码：

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

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 */

public class Demo2 {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            Thread thread = Thread.currentThread();

            try {

                semaphore.acquire();

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可!");

                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

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

            new T("t-" + i).start();

        }

    }

}

输出：

1563716603924,t-0,获取许可!

1563716603924,t-1,获取许可!

1563716606925,t-0,运行结束!

1563716606925,t-0,当前可用许可数量:0

1563716606925,t-1,运行结束!

1563716606925,t-1,当前可用许可数量:0

上面程序运行后一直无法结束，观察一下代码，代码中获取许可后，没有释放许可的代码，最终导致，可用许可数量为0，其他线程无法获取许可，会在semaphore.acquire();处等待，导致程序无法结束。

示例3：释放许可正确的姿势

示例1中，在finally里面释放锁，会有问题么？

如果获取锁的过程中发生异常，导致获取锁失败，最后finally里面也释放了许可，最终会怎么样，导致许可数量凭空增长了。

示例代码：

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

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 */

public class Demo3 {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            Thread thread = Thread.currentThread();

            try {

                semaphore.acquire();

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

                //休眠100秒

                TimeUnit.SECONDS.sleep(100);

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                semaphore.release();

            }

            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        T t1 = new T("t1");

        t1.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t2 = new T("t2");

        t2.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t3 = new T("t3");

        t3.start();

        //给t2和t3发送中断信号

        t2.interrupt();

        t3.interrupt();

    }

}

输出：

1563717279058,t1,获取许可,当前可用许可数量:0

java.lang.InterruptedException

1563717281060,t2,当前可用许可数量:1

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)

1563717281060,t3,当前可用许可数量:2

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)

	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)

	at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)

java.lang.InterruptedException

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)

	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)

	at com.itsoku.chat12.Demo3$T.run(Demo3.java:21)

程序中信号量许可数量为1，创建了3个线程获取许可，线程t1获取成功了，然后休眠100秒。其他两个线程阻塞在semaphore.acquire();方法处，代码中对线程t2、t3发送中断信号，我们看一下Semaphore中acquire的源码：

public void acquire() throws InterruptedException

这个方法会响应线程中断，主线程中对t2、t3发送中断信号之后，acquire()方法会触发InterruptedException异常，t2、t3最终没有获取到许可，但是他们都执行了finally中的释放许可的操作，最后导致许可数量变为了2，导致许可数量增加了。所以程序中释放许可的方式有问题。需要改进一下，获取许可成功才去释放锁。

正确的释放锁的方式，如下：

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

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 */

public class Demo4 {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            Thread thread = Thread.currentThread();

            //获取许可是否成功

            boolean acquireSuccess = false;

            try {

                semaphore.acquire();

                acquireSuccess = true;

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

                //休眠100秒

                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",运行结束!");

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                if (acquireSuccess) {

                    semaphore.release();

                }

            }

            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        T t1 = new T("t1");

        t1.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t2 = new T("t2");

        t2.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t3 = new T("t3");

        t3.start();

        //给t2和t3发送中断信号

        t2.interrupt();

        t3.interrupt();

    }

}

输出：

1563717751655,t1,获取许可,当前可用许可数量:0

1563717753657,t3,当前可用许可数量:0

java.lang.InterruptedException

1563717753657,t2,当前可用许可数量:0

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1302)

	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)

	at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)

java.lang.InterruptedException

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:998)

	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)

	at java.util.concurrent.Semaphore.acquire(Semaphore.java:312)

	at com.itsoku.chat12.Demo4$T.run(Demo4.java:23)

1563717756656,t1,运行结束!

1563717756656,t1,当前可用许可数量:1

程序中增加了一个变量acquireSuccess用来标记获取许可是否成功，在finally中根据这个变量是否为true，来确定是否释放许可。

示例4：在规定的时间内希望获取许可

司机来到停车场，发现停车场已经满了，只能在外等待内部的车出来之后才能进去，但是要等多久，他自己也不知道，他希望等10分钟，如果还是无法进去，就不到这里停车了。

Semaphore内部2个方法可以提供超时获取许可的功能：

public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException

public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)

        throws InterruptedException

在指定的时间内去尝试获取许可，如果能够获取到，返回true，获取不到返回false。

示例代码：

package com.itsoku.chat12;

import java.util.concurrent.Semaphore;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**

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 */

public class Demo5 {

    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static class T extends Thread {

        public T(String name) {

            super(name);

        }

        @Override

        public void run() {

            Thread thread = Thread.currentThread();

            //获取许可是否成功

            boolean acquireSuccess = false;

            try {

                //尝试在1秒内获取许可，获取成功返回true，否则返回false

                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",尝试获取许可,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

                acquireSuccess = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);

                //获取成功执行业务代码

                if (acquireSuccess) {

                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可成功,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

                    //休眠5秒

                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);

                } else {

                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "," + thread.getName() + ",获取许可失败,当前可用许可数量:" + semaphore.availablePermits());

                }

            } catch (InterruptedException e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                if (acquireSuccess) {

                    semaphore.release();

                }

            }

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        T t1 = new T("t1");

        t1.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t2 = new T("t2");

        t2.start();

        //休眠1秒

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        T t3 = new T("t3");

        t3.start();

    }

}

输出：

1563718410202,t1,尝试获取许可,当前可用许可数量:1

1563718410202,t1,获取许可成功,当前可用许可数量:0

1563718411203,t2,尝试获取许可,当前可用许可数量:0

1563718412203,t3,尝试获取许可,当前可用许可数量:0

1563718412204,t2,获取许可失败,当前可用许可数量:0

1563718413204,t3,获取许可失败,当前可用许可数量:0

代码中许可数量为1，semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS);：表示尝试在1秒内获取许可，获取成功立即返回true，超过1秒还是获取不到，返回false。线程t1获取许可成功，之后休眠了5秒，从输出中可以看出t2和t3都尝试了1秒，获取失败。

其他一些使用说明

Semaphore默认创建的是非公平的信号量，什么意思呢？这个涉及到公平与非公平。举个例子：5个车位，允许5个车辆进去，来了100辆车，只能进去5辆，其他95在外面排队等着。里面刚好出来了1辆，此时刚好又来了10辆车，这10辆车是直接插队到其他95辆前面去，还是到95辆后面去排队呢？排队就表示公平，直接去插队争抢第一个，就表示不公平。对于停车场，排队肯定更好一些咯。不过对于信号量来说不公平的效率更高一些，所以默认是不公平的。
建议阅读以下Semaphore的源码，对常用的方法有个了解，不需要都记住，用的时候也方便查询就好。
方法中带有throws InterruptedException声明的，表示这个方法会响应线程中断信号，什么意思？表示调用线程的interrupt()方法，会让这些方法触发InterruptedException异常，即使这些方法处于阻塞状态，也会立即返回，并抛出InterruptedException异常，线程中断信号也会被清除。