并发工具类（三）控制并发线程的数量 Semphore

前言

  JDK中为了处理线程之间的同步问题，除了提供锁机制之外，还提供了几个非常有用的并发工具类：CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Exchanger、Phaser；
  CountDownLatch、CyclicBarrier、Semphore、Phaser 这四个工具类提供一种并发流程的控制手段；而Exchanger工具类则提供了在线程之间交换数据的一种手段。

简介

  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。

应用场景

  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IO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。

Semphore的方法摘要

1、获取许可

  API中提供了多种的方式获取锁：

• 可以获取一个、多个许可；
• 提供阻塞、非阻塞、超时的方式获取许可；
• 除了可中断、还提供一个非中断的方式获取锁；

public void acquire() throws InterruptedException
从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
public void acquire(int permits) throws InterruptedException
获取多个许可。从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞，或者线程已被中断。
public void acquireUninterruptibly()
从此信号量中获取许可，在有可用的许可前将其阻塞。不可中断。
public void acquireUninterruptibly(int permits)
获取多个许可。从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。不可中断。
public boolean tryAcquire()
仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。非阻塞的方式尝试获取许可。
public boolean tryAcquire(int permits)
仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时，才从此信号量中获取这些许可。
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可，并且当前线程未被中断，则从此信号量获取给定数目的许可。超时等待获取许可
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。

2、许可的释放

public void release( )：
释放一个许可，将其返回给信号量。
public void release(int permits)
释放给定数目的许可，将其返回到信号量。

3、提供的监控方法

public int availablePermits( )
返回此信号量中当前可用的许可数
public int drainPermits()
获取并返回立即可用的所有许可
public final int getQueueLength()
返回正在等待获取的线程的估计数目。该值仅是估计的数字，因为在此方法遍历内部数据结构的同时，线程的数目可能动态地变化。此方法用于监视系统状态，不用于同步控制。
public final boolean hasQueuedThreads()
查询是否有线程正在等待获取。
public boolean isFair()
如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true。

protected 方法：
protected Collection getQueuedThreads( )
返回一个 collection，包含可能等待获取的线程。因为在构造此结果的同时实际的线程 set 可能动态地变化，所以返回的 collection 仅是尽力的估计值。所返回 collection 中的元素没有特定的顺序。
protected void reducePermits(int reduction)
根据指定的缩减量减小可用许可的数目。此方法在使用信号量来跟踪那些变为不可用资源的子类中很有用

@Example 获取、释放多个许可

try {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
    //获取一个许可
    semaphore.acquire();
    //一次性获取4个许可
    semaphore.acquire(4);
    System.out.println("Semaphore 剩下的许可数量："+semaphore.availablePermits());
    //一次性释放5个许可
    semaphore.release(5);
    System.out.println("Semaphore 剩下的许可数量："+semaphore.availablePermits());
    //再释放5个许可
    semaphore.release();
    semaphore.release();
    semaphore.release(3);
    System.out.println("Semaphore 剩下的许可数量："+semaphore.availablePermits());

    } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();

运行结果：

Semaphore 剩下的许可数量：0
Semaphore 剩下的许可数量：5
Semaphore 剩下的许可数量：10

   从上面的运行结果可以看出，构造方法的 new Semaphore(5)中参数5并不是最终的许可数量，可以通过release（）方法增加许可数量。



文献：
《java并发编程的艺术》