Semaphore：实现一个限流器

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发布于 2022-8-5 17:44

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Semaphore：实现一个限流器
Semaphore 现在普遍翻译成 "信号量"，从概念上讲信号量维护着一组 "凭证"，获取到凭证的线程才能访问资源，使用完成后释放，我们可以使用信号量来限制访问特定资源的并发线程数。

就像现实生活中的停车场车位，当有空位的时候才能放车子进入，不然就只能等待，出来的车子则释放凭证。

信号量模型
可以简单的概括为：一个计数器、一个等待队列、三个方法。在信号量模型里，计数器和等待队列对外是透明的，只能通过信号量模型提供的三个方法访问它们，init()、acquire()、release()。

● init(): 设置计数器的初始值，初始化凭证数量。可以理解为停车场的车位数量。
● acquire()：计数器的值减 1 ；如果此时计数器的值小于 0，则当前线程将被阻塞，放到等待队列之中，否则当前线程可以继续执行。
● release()：计数器值加 1；如果此时计数器的值小于或者等于 0，则唤醒等待队列中的一个线程，并将其从等待队列中移除。
这里提到的 init()、acquire()、release() 三个方法都是原子性的，并且这个原子性是由信号量模型的实现方保证的。在 Java SDK 里面，信号量模型是由 java.util.concurrent.Semaphore 实现的，Semaphore 这个类能够保证这三个方法都是原子操作。

通过一个简化版的信号模型代码便于理解：

publicclass Semaphore {
    //计数器
    privateint count;
    //保存线程的等待队列
    private Queue queue;

    /**
     * 初始化计数器
     * @param count
     */
    public Semaphore(int count) {
        this.count = count;
    }

    /**
     * 获取凭证
     */
    public void acquire(){
        this.count--;
        if(this.count<0){
            // 将当前线程插入等待队列
            // 阻塞当前线程
        }
    }

    /**
     * 释放凭证
     */
    public void release(){
        this.count++;
        if(this.count >= 0) {
            // 移除等待队列中的某个线程 T
            // 唤醒线程 T
        }
    }
}

信号量的使用
通过上文我们了解到信号量模型原理，接下来则看如何在实际场景中使用。这里我们还是用累加器的例子来说明信号量的使用吧。在累加器的例子里面，count++ 操作是个临界区，只允许一个线程执行，也就是说要保证互斥。

publicclass TestSemaPhore {
    privatestaticint count;
    //初始化信号量为 1
    privatestaticfinal Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static void addOne() throws InterruptedException {
        //使用信号量保证互斥，只有一个线程进入
        semaphore.acquire();
        try {
            count++;
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }

    public static int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //模拟十个线程同时访问
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    addOne();
                    countDownLatch.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.countDown();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        int count = getCount();
        System.out.println(count);
    }

}

我们来分析下信号量如何保证互斥的。

假设两个线程 T1 和 T2 同时访问 addOne()，当他们都调用semaphore.acquire();的时候，由于这是一个原子操作，所以只有一个线程能把信号量计数器减为 0，另外一个线程 T2 则是将计数器减为 -1。对应线程 T1 计数器的值为 0 ，满足大于等于 0，所以线程 T1 会继续执行；对于线程 T2，信号量计数器的值为 -1，小于 0 ，按照我们之前的信号量模型 acquire()描述，线程 T2 将被阻塞进入等待队列。所以此刻只有线程 T1 进入临界区执行 count++。

当前信号量计数器的值为 -1 ，当线程 T1 执行 semaphore.release()操作执行完后计数器 +1 则变成了 0，满足小于等于 0，按照模型的定义，此刻等待队列中的 T2 将会被唤醒，于是 T2 在 T1 执行完临界区代码后才获得进入代码临界区的机会，从而保证了互斥性。

实现一个限流器
上面的例子我们利用信号量实现了一个简单的互斥锁，你会不会觉得奇怪，既然 Java SDK 里面提供了 Lock，为啥还要提供一个 Semaphore ？其实 Semaphore 还有一个功能是 Lock 不容易实现的，那就是：Semaphore 可以允许多个线程访问一个临界区。

常见的就是池化资源，比如连接池、对象池、线程池等。比如熟悉的数据库连接池，在同一时刻允许多个线程同时使用连接，当然在每个连接被释放之前，是允许其他线程使用的。

现在我们假设有一个场景，对象池需求，就是一次性创建 N 个对象，之后所有的线程都复用这 N 个对象，在对象被释放前，是不允许其他线程使用。

/**
 * 对象池
 *
 */
publicclass ObjectPool {
    //使用 阻塞队列保存对象池
    privatefinal ArrayBlockingQueue<InputSaleMapDO> pool;
    //信号量
    privatefinal Semaphore sem;

    /**
     * 初始化对象池
     *
     * @param size 池大小
     */
    public ObjectPool(int size) {
        pool = new ArrayBlockingQueue<>(size);
        sem = new Semaphore(size);
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            InputSaleMapDO inputSaleMapDO = new InputSaleMapDO();
            inputSaleMapDO.setId((long) i);
            pool.add(inputSaleMapDO);
        }
    }

    //利用对象池的对象调用 function
    public Long run(Function<InputSaleMapDO, Long> function) throws InterruptedException {
        InputSaleMapDO obj = null;
        sem.acquire();
        try {
            obj = pool.poll();
            return function.apply(obj);
        } finally {
            pool.add(obj);
            sem.release();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ObjectPool objectPool = new ObjectPool(2);

        //模拟十个线程同时访问
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    objectPool.run(f -> {
                        System.out.println(f);
                        return f.getId();
                    });
                    countDownLatch.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.countDown();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(30);
    }
}

初始化线程池大小 2 ，我们模拟 10 个线程，每次只能两个线程分配对象 InputSaleMapDO。

执行完回调函数之后，它们就会释放对象（这个释放工作是通过 pool.add(obj) 实现的），同时调用 release() 方法来更新信号量的计数器。如果此时信号量里计数器的值小于等于 0，那么说明有线程在等待，此时会自动唤醒等待的线程。

思考
上面的例子中保存对象池使用了 ArrayBlockingQueue ，是一个线程安全的容器，那么是否可以换成 ArrayList？欢迎留言给出答案。还有假设是停车场的车位作为对象池，车主停车是不是也可以使用 Semaphore 实现？

文章转载自公众号：码哥字节

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