[java并发编程]基于信号量semaphore实现限流器

[TOC]

一、什么是信号量

“信号量”在编程术语中使用单词semaphore，那什么是“信号量”？信号量就好比你家厨房入口架子上摆了三把锅。

• 如果你的孩子热奶拿走一把，你的老婆热汤拿走一把，你的妈妈做菜拿走一把，你想煮面条就没有锅了。当你看到这种情况，你就不会进入厨房了，你处于等待状态。也就说厨房按照“锅的数量”作为信号量，只能容纳三个人(线程)。
• 当你的老婆热完汤之后，把锅重新放回架子上，你就可以去获得一个锅，你就可以进入厨房了。

二、信号量类Semaphore

通过上文的介绍，我们可以总结出信号量的重要组成部分

• 计数器：计算信号量的使用情况，锅(信号)被使用一次减1，锅(信号)被还回一次加1
• 等待队列：当任务数量大于信号量数量上限的时候，任务进入等待队列

信号量在JDK中是由 java.util.concurrent.Semaphore 实现的，Semaphore提供了两个构造函数。permits参数代表信号量的数量(锅的数量)，fair代表信号量的获取是否遵循公平原则。所谓的公平原则就是：先启动的线程先调用semaphore.acquire();方法，就先得到一个信号“锅”(permit)，遵循先来后到的原则。

public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair)

常用方法列表

方法名	作用
acquire()	获取一个permit，在获取到permit之前，线程处于阻塞状态
tryAcquire()	尝试获取一个permit，获取成功返回true，否则返回false，不阻塞线程
tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)	和tryAcquire()大部分实现一样，区别是提供超时设置，在超时时间范围内多次尝试，不阻塞线程。
availablePermits()	获取目前剩余的信号permit的数量
release()	释放一个permit，并唤醒一个等待信号permit的线程
hasQueuedThreads()	返回值boolean类型，判断等待队列中是否存在等待线程
getQueueLength()	获取等待队列中等待线程的数量

三、实现限流器

通过上面的介绍，我相信大家肯定可以想到Semaphore的应用场景。比如：

• 医院门诊排号器，三个在岗医生就是3个信号permit，当超出信号量数量的时候，想就诊就只能等待
• 停车场停车功能，n个车位就是n个信号permit，当超出信号量数量的时候，想停车也只能等待

应用场景还有很多很多，大家自己去发会创造力吧。其实无论多少种应用场景说白了：Semaphore实现的就是一个限流器。我们还是以我们家的厨房kitchen里面的三把锅wok为例，实现基于信号量的限流。

public class TestKitchenSemaphore {

  //信号量-3把锅
  private  static Semaphore threeWoks = new Semaphore(3);

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

    //模拟5个人抢占3把锅的场景
    for(int i=0;i < 5;i++){
      Thread.sleep(1000); //模拟进入厨房的先后顺序，存在时间间隔
      
      new Thread(() -> {
        try {
          threeWoks.acquire();  //获取一个permit，信号量计数器减1
          System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                  + "拿走了一把锅，还剩" + threeWoks.availablePermits() + "把锅");
          Thread.sleep(new Random().nextInt(5000)); //模拟使用锅的时长

          threeWoks.release();//释放permit，信号量计数器加1
          System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                  + "还回一把锅，还剩" + threeWoks.availablePermits() + "把锅");

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

    }
  }
}

上文代码的输出如下，我们可以看到每acquire一次信号量减1，每release一次信号量加1。信号量的上限是3，下限是0。当达到上限的时候，只有等先占据锅permit的线程释放，其他线程才能获取到锅permit。

Thread-0拿走了一把锅，还剩2把锅 
Thread-1拿走了一把锅，还剩1把锅
Thread-2拿走了一把锅，还剩0把锅               => 备注：5个线程只能获取3个锅（上限）
Thread-1还回一把锅，还剩1把锅
Thread-3拿走了一把锅，还剩0把锅               => 备注：被还回才能被再次占用，不超过3
Thread-0还回一把锅，还剩1把锅
Thread-4拿走了一把锅，还剩0把锅               => 备注：被还回才能被再次占用，不超过3
Thread-2还回一把锅，还剩1把锅        
Thread-3还回一把锅，还剩2把锅
Thread-4还回一把锅，还剩3把锅                  => 备注：用完依次释放

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