Java Semaphore流量控制
剑客阿良_ALiang 人气:0前言
在java开发的工作中是否会出现这样的场景，你需要实现一些异步运行的任务，该任务可能存在消耗大量内存的情况，所以需要对任务进行并发控制。如何优雅的实现并发控制呢？下面我会给大家介绍一个类——Semaphore，能很优雅的实现并发控制，继续往下看吧。
Semaphore介绍
首先我们看一下Semaphore类的构造函数是如何实现的。
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
我们可以看到有两个参数，分别对应的是信号量的许可次数以及是否为公平锁，其中关于锁的概念可以参考补充。
我们看一下主要使用到的方法——tryAcquire，尝试申请锁，看一下该方法有几个实现。
public boolean tryAcquire() {
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public boolean tryAcquire(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}
我们需要注意的是，Semaphore是一个可重入的共享锁，所以除了可以增加申请锁的超时时间外，还可以设置申请的许可证数量。一般在业务场景中申请1次就可以了。
Semaphore还提供了阻塞的申请方式，一旦执行就会一直阻塞直到申请到锁，就是acquire方法。有兴趣的话，可以看看，也基本上支持多种参数实现。
代码演示
下面看一下我写的demo代码，演示一下Semaphore的限流效果。
先添加一些maven依赖
<dependency>
<groupId>cn.hutool</groupId>
<artifactId>hutool-all</artifactId>
<version>5.7.15</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<optional>true</optional>
</dependency>
示例代码
package com.huyi.csdn.tools;
import cn.hutool.core.thread.ThreadUtil;
import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.scheduling.concurrent.CustomizableThreadFactory;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* @Program: csdn @ClassName: SemaphoreDemo @Author: 剑客阿良_ALiang @Date: 2021-12-18
* 10:03 @Description: @Version: V1.0
*/
@Slf4j
public class SemaphoreDemo {
private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(3, true);
private static final ExecutorService POOL =
Executors.newFixedThreadPool(10, new CustomizableThreadFactory("TASK-"));
private static final ScheduledExecutorService ENGINE_POOL =
Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(new CustomizableThreadFactory("ENGINE-"));
public static LinkedBlockingQueue<Task> taskQueue;
public static AtomicInteger codeBuilder;
@Data
@Builder
public static class Task {
private Integer code;
private Runnable work;
}
public static void init() {
taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
codeBuilder = new AtomicInteger(0);
log.info(">>> 任务队列初始化");
log.info(">>> 任务引擎启动");
engineOn();
}
private static void engineOn() {
ENGINE_POOL.scheduleAtFixedRate(
() -> {
if (taskQueue.isEmpty()) {
log.info("队列为空，无任务需要执行");
} else {
if (SEMAPHORE.tryAcquire()) {
try {
Task task = taskQueue.poll();
log.info("code:{} 任务获得执行许可", task.getCode());
POOL.submit(task.getWork());
log.info("code:{} 任务提交执行", task.getCode());
} catch (Exception exception) {
exception.printStackTrace();
}
} else {
log.info("执行任务数量已经达到限制，无法执行任务");
}
}
},
0,
1,
TimeUnit.SECONDS);
}
public static void addTask(Runnable runnable) {
Integer code = codeBuilder.incrementAndGet();
Task task =
Task.builder()
.code(code)
.work(
() -> {
try {
runnable.run();
} catch (Exception exception) {
exception.printStackTrace();
} finally {
log.info("code:{}-结束任务", code);
SEMAPHORE.release();
}
})
.build();
taskQueue.add(task);
}
public static void main(String[] args) {
SemaphoreDemo.init();
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
SemaphoreDemo.addTask(
() -> {
IntStream.range(1, random.nextInt(10) + 1)
.forEach(
a -> {
log.info("第{}次进攻敌方基地", a);
ThreadUtil.sleep(1000);
});
log.info("进攻结束");
});
}
}
}
代码说明：
1、先添加了两个静态的线程池，一个为给引擎工作的定时线程池，一个为给异步任务提供的任务线程池。
2、在初始化的时候会提前创建好任务队列，这里使用的是LinkedBlockingQueue。
3、初始化之后，可以引擎会定时尝试获取Semaphore的许可证，如果可以拿到则将任务提交给线程池执行。
4、在构建任务的时候，会将需要执行的内容重新包装，保证任务执行结束的时候会主动释放Semaphore的许可证。
5、main方法主要是在10秒内提交10个不定时完成的任务，我们可以看看是否限制了异步任务的数量。
验证一下，看看执行结果
E:\Java\jdk1.8.0_40\bin\java.exe "-javaagent:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\lib\idea_rt.jar=3927:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath 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com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo 17:23:20.516 [main] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - >>> 任务队列初始化 17:23:20.519 [main] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - >>> 任务引擎启动 17:23:20.559 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:21.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1 任务获得执行许可 17:23:21.575 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1 任务提交执行 17:23:21.577 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:22.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2 任务获得执行许可 17:23:22.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2 任务提交执行 17:23:22.568 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:22.584 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地 17:23:23.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3 任务获得执行许可 17:23:23.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3 任务提交执行 17:23:23.561 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:23.576 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地 17:23:23.592 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地 17:23:24.571 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地 17:23:24.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制，无法执行任务 17:23:24.587 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地 17:23:24.602 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地 17:23:25.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制，无法执行任务 17:23:25.581 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地 17:23:25.596 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地 17:23:25.611 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地 17:23:26.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制，无法执行任务 17:23:26.584 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地 17:23:26.600 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地 17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1-结束任务 17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任务获得执行许可 17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任务提交执行 17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4-结束任务 17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3-结束任务 17:23:27.605 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次进攻敌方基地 17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任务获得执行许可 17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任务提交执行 17:23:28.571 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:28.618 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次进攻敌方基地 17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任务获得执行许可 17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任务提交执行 17:23:29.565 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:29.581 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地 17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2-结束任务 17:23:30.571 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地 17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任务获得执行许可 17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任务提交执行 17:23:30.571 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5-结束任务 17:23:31.561 [ENGINE-1] INFO 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com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制，无法执行任务 17:23:34.592 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地 17:23:34.607 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地 17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6-结束任务 17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任务获得执行许可 17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任务提交执行 17:23:35.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8-结束任务 17:23:35.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次进攻敌方基地 17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任务获得执行许可 17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9-结束任务 17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任务提交执行 17:23:36.571 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地 17:23:36.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次进攻敌方基地 17:23:37.564 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10-结束任务 17:23:37.626 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第8次进攻敌方基地 17:23:38.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束 17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7-结束任务 17:23:39.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:40.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:41.567 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:42.562 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:43.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:44.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:45.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:46.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:47.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:48.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:49.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 17:23:50.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空，无任务需要执行 Process finished with exit code -1
可以看出，始终只有3个任务在执行任务。
补充
独占锁与共享锁
我发现很多人会把独占锁与公平锁搞混，其实他们不在一个方向上。
独占锁
独占锁是指在同一个时间只能有一个线程占有他，所以具备排他性。像synchronized关键字就是典型的独占锁。
举个栗子：独占锁相当于独间的澡堂，一个人进了这件澡堂，其他人都不能进，只有等他出来。
共享锁
什么是共享锁？
就是指同一时间可以被多个线程占有，像java自带的ReadWriteLock、Semaphore，他们可以设置自己共享的数量。
举个栗子：共享锁相当于一个大型公共澡堂，一开始就设定了能进去洗澡人的数量，比如是10个人，那么你要进去的时候会检查一下有没有满10个，满了你就在门口排队去吧。
公平锁与非公平锁
如果你在排队买奶茶，有个人插队了但是没人制止，你生不生气？他买到了奶茶扬长而去，这公不公平。
公平锁
公平锁就是多个线程去申请锁的使用权的时候，线程会直接进入队列排队，排在前面的可以先获得锁，排在后面的只能等着前面的先用。
举个栗子：有个澡堂，里面已经满了，后面的人想冲进去。但是有个保安站在门口，他让后面想进来的人都排好队，出来一个，就从队伍的前面放一个人进去。
没错，这就很公平。
但是公平锁也会带来其他的缺点，就是需要一个保安去控制，带来的其他开销。如果大家蜂拥而至去抢位置，少了这个保安，会更有效率。没错公平锁的缺点就是会带来更大的开销以及吞吐量下降。
非公平锁
与公平锁对应的就是非公平了，简而言之就是和公平锁反正来，什么不公平来什么。关键字synchronized就是典型的非公平锁。
缺点就是不公平，在某些场景中，特别是每次获取锁后会迅速执行并且释放锁的情况下，非公平锁是可以使用的。假设你洗澡的时间巨长，还有人插我队，这谁能忍得了？
可重入锁
可重入锁的概念很多人容易理解错，他是指同一个线程在申请到锁的情况下，继续申请锁不会阻塞，而是有个计数器记录该线程以及线程申请的次数。
举个栗子：还是单间浴室，但是我有一个洗澡卡，一旦我进了洗澡间就要刷卡，而且出来的时候还需要刷卡退出。那么我一旦进了洗澡间，我可以刷好几次进入卡，这不会阻塞住，因为都是我自己刷的。但是我退出洗澡间的时候我得刷同样次数的退出卡，不然下一个进来的人刷不了进入卡。好理解吗？你也别管我刷几次，反正我刷几次进入，就刷几次退出。
像java的关键字synchronized和ReentrantLock类都是可重入锁。
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