[Java并发编程] 用 信号量(Semaphore) 实现一个消息池(含代码)

欲穷千里目，更上一层楼。—唐·王之涣《登颧雀楼》
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Semaphore，计数信号量，用来控制同时访问某个特定资源的线程数量，需要我们设定它的最大访问数量。 Semaphore 管理着一组虚拟许可，许可的初始数量可以通过构造函数来指定。在执行操作时可以首先获取许可，并在使用后释放许可。如果没有许可，那么获取操作将阻塞直到有可用的许可。

Semaphore 可以用于实现一个资源池，也可以将任何一个容器变成一个有界的阻塞容器，他在限制资源访问量上有很大的用处。

Semaphore 的核心方法

首先，我们先来看它的两个构造函数。

/**
 * Creates a {@code Semaphore} with the given number of
 * permits and nonfair fairness setting.
 */
public Semaphore(int permits) {
    sync = new NonfairSync(permits);
}
/**
 * Creates a {@code Semaphore} with the given number of
 * permits and the given fairness setting.
 */
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}

参数 permits 表示许可数量，即同时允许多少个线程访问。参数 fair 表示公平性，即等待越久越先获取到许可。

其次，再来看一下它获取和释放许可的方法，信号量的核心用法就是下面这些。

//获取一个许可
public void acquire() throws InterruptedException {  }

//获取permits个许可
public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }

   //释放一个许可
public void release() { }    
     
//释放permits个许可
public void release(int permits) { }    

//尝试获取一个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire() { };    

//尝试获取一个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false  
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  

   //尝试获取permits个许可，若获取成功，则立即返回true，若获取失败，则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits) { };

//尝试获取permits个许可，若在指定的时间内获取成功，则立即返回true，否则则立即返回false
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; 

使用场景

前面说过，Semaphore 可以用于实现一个资源池。所以，我们用它来实现一个固定数量的消息池，只允许固定数量的线程同时访问。

这个例子中消息池的数量为 3 个，信号量的许可数量也设置为 3 个，即用 Semaphore 来控制最多同时只能有三个线程使用，其中消息可以循环使用。

如果已有三个线程已经获取到了消息，那么其他线程获取消息的时候将会阻塞，直到有线程释放消息，它才能获取到。获取消息和释放消息通过 Semaphore 的 acqure() 和 release() 方法进行控制，其中 Semaphore 的许可数量不应大于消息池的最大数量。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest{

//表示消息池可用消息只有5个
private static final int MAX_POOL_SIZE = 3;

//获取消息的客户端的线程数量
private static final int CLIENT_SIZE = 6;   

//消息数组，存放所有消息
private static Message[] messages = new Message[MAX_POOL_SIZE];   

//信号量，许可数量为消息的最大可用数量
private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_POOL_SIZE);

//初始化消息数组
static void  init() {
    for(int i = 0; i < MAX_POOL_SIZE; i++) {
        messages[i] = new Message();
    }
}

//同步方法，获取可用的消息
static synchronized Message obtain() {
    Message msg = null;
    for(int i = 0; i < MAX_POOL_SIZE; i++) {
        if(messages[i].getFlag() == false) {
            msg = messages[i];
            msg.setId(i);
            msg.setFlag(true);
            return msg;
        }
    }
    return msg;
}

//同步方法，把用完的消息放回消息池
static synchronized boolean release(Message msg) {
    if(msg.getFlag() == true) {
        msg.setFlag(false);
        msg.setId(-1);
        return true;
    }
    return false;
}

//用信号量控制能获取消息的数目
static Message obtainMsg() throws InterruptedException {
    semaphore.acquire();
    return obtain();
}

//成功释放消息的同时释放信号量
static void releaseMsg(Message msg) {
    System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " ***Release msg id*** = "+ msg.getId() + "\n");
    if(release(msg)) {
        semaphore.release();
    }
}

public static void main(String[] args) {
    
    //初始化
    init();
    
    //创建子线程，获取消息
    for(int i = 0; i < CLIENT_SIZE; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    //获取消息
                    Message msg = obtainMsg();
                    System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " Obtain msg id = "+ msg.getId() + "\n");
                    //假装耗时操作
                    Thread.sleep(1000);
                    //释放消息
                    releaseMsg(msg);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }}).start();
    }
}

//声明一个消息类
static class Message {
    private int id;         //表示每个消息的id
    private boolean flag;   //表示消息是否可用

    public Message() {
        this.id = -1;
        this.flag = false;
    }
    
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    
    public void setFlag(boolean b) {
        this.flag = b;
    }
    
    public int getId() {
        return this.id;
    }
    
    public boolean getFlag() {
        return this.flag;
    }
}

}

执行结果:

这里写图片描述

从这个结果看，线程 1，线程 2，线程 0 先获取到消息；接着线程 1 和 2 释放消息；释放消息后，那么此时消息池又有两个空闲消息，所以，线程 3 和线程 5 获取了消息；

紧接着线程 0 释放消息，线程 4 立马获取了消息。。。

这程序的执行结果和我们预期的流程一样。需要注意的点，Semaphore 是线程安全的。在这个例子中，不可能同时有 4 个线程能同时获取到消息。

注意

既然 Semaphore 是线程安全的，为什么上面两个方法需要添加同步？

static synchronized boolean release(Message msg)
static synchronized Message obtain()

这里我们不能混淆概念，Semaphore 的线程安全是指同时只能有三个线程进入，即 acquire() 和 release() 必定线程安全。然而获取到许可后的操作不保证线程安全，所以这里加同步锁是为了确保获取消息的过程是安全的。

另外一点需要注意，为什么下面两个方法不需要使用同步锁？

static void releaseMsg(Message msg)
static Message obtainMsg() throws InterruptedException

细心的朋友可能已经知道，这里加上同步的话，会产生死锁。假如此时 acquire() 发生阻塞，那么obtainMsg() 一直持有同步锁，而 releaseMsg() 的时候必须等待同步锁的释放，这时必定陷入死锁，一直死等，然而没什么软用。
这里不需要加同步锁，是因为我们要确保安全的内容是 获取许可集 后的数据安全，和释放许可集之前的数据安全。

本文完结，如果觉得有帮助，请关注我哦，谢谢啦~