Semaphore:如何快速实现一个限流器?
阅读过《Java 并发编程》相关书籍或者阅读过相关源码的朋友应该知道Semaphore,现在普遍翻译为“信号量”,以前也曾被翻译成“信号灯”,因为类似现实生活里的红绿灯,车辆能不能通行,要看是不是绿灯。同样,在编程世界里,线程能不能执行,也要看信号量是不是允许。
信号量模型
信号量模型还是很简单的,可以简单概括为: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,所以只能通过信号量模型提供的三个方法来访问它们,这三个方法分别是:init()、down() 和 up()。你可以结合下图来形象化地理解。
这三个方法详细的语义具体如下所示。
- init():设置计数器的初始值。
- down():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,否则当前线程可以继续执行。
- up():计数器的值加 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()、down() 和 up() 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。
如果你觉得上面的描述有点绕的话,可以参考下面这个代码化的信号量模型。
public class Semaphore{
// 计数器
int count;
// 等待队列
Queue queue;
// 初始化操作
Semaphore(int c){
this.count=c;
}
//
void down(){
this.count--;
if(this.count<0){
//将当前线程插入等待队列
//阻塞当前线程
}
}
void up(){
this.count++;
if(this.count<=0) {
//移除等待队列中的某个线程T
//唤醒线程T
}
}
}
这里再插一句,信号量模型里面,down()、up() 这两个操作历史上最早称为 P 操作和 V 操作,所以信号量模型也被称为 PV 原语。另外,还有些人喜欢用 semWait() 和 semSignal() 来称呼它们,虽然叫法不同,但是语义都是相同的。在 Java SDK 并发包里,down() 和 up() 对应的则是 acquire() 和 release()。
如何使用信号量
通过上文,你应该会发现信号量的模型还是很简单的,那具体该如何使用呢?其实你想想红绿灯就可以了。十字路口的红绿灯可以控制交通,得益于它的一个关键规则:车辆在通过路口前必须先检查是否是绿灯,只有绿灯才能通行。这个规则和我们前面提到的锁规则是不是很类似?
其实,信号量的使用也是类似的。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+=1 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。那这种情况用信号量怎么控制呢?
其实很简单,就像我们用互斥锁一样,只需要在进入临界区之前执行一下 down() 操作,退出临界区之前执行一下 up() 操作就可以了。下面是 Java 代码的示例,acquire() 就是信号量里的 down() 操作,release() 就是信号量里的 up() 操作
static int count;
//初始化信号量
static final Semaphore s
= new Semaphore(1);
//用信号量保证互斥
static void addOne() {
s.acquire();
try {
count+=1;
} finally {
s.release();
}
}
快速实现一个限流器
上面的例子,用信号量实现了一个最简单的互斥锁功能。估计你会觉得奇怪,既然有 Java SDK 里面提供了 Lock,为啥还要提供一个 Semaphore ?其实实现一个互斥锁,仅仅是 Semaphore 的部分功能,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。
现实中还有这种需求?有的。比较常见的需求就是我们工作中遇到的各种池化资源,例如连接池、对象池、线程池等等。其中,你可能最熟悉数据库连接池,在同一时刻,一定是允许多个线程同时使用连接池的,当然,每个连接在被释放前,是不允许其他线程使用的。
下面是一个对象池的创建和释放的示例代码
public class ObjPool<T, R> {
final List<T> pool;
// 用信号量实现限流器
final Semaphore sem;
// 构造函数
ObjPool(int size, T t){
pool = new Vector<T>(){};
for(int i=0; i<size; i++){
pool.add(t);
}
sem = new Semaphore(size);
}
// 利用对象池的对象,调用func
R exec(Function<T,R> func) {
T t = null;
sem.acquire();
try {
t = pool.remove(0);
return func.apply(t);
} finally {
pool.add(t);
sem.release();
}
}
}
// 创建对象池
ObjPool<Long, String> pool =
new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通过对象池获取t,之后执行
pool.exec(t -> {
System.out.println(t);
return t.toString();
});
用一个 List来保存对象实例,用 Semaphore 实现限流器。关键的代码是 ObjPool 里面的 exec() 方法,这个方法里面实现了限流的功能。在这个方法里面,我们首先调用 acquire() 方法(与之匹配的是在 finally 里面调用 release() 方法),假设对象池的大小是 10,信号量的计数器初始化为 10,那么前 10 个线程调用 acquire() 方法,都能继续执行,相当于通过了信号灯,而其他线程则会阻塞在 acquire() 方法上。对于通过信号灯的线程,我们为每个线程分配了一个对象 t(这个分配工作是通过 pool.remove(0) 实现的),分配完之后会执行一个回调函数 func,而函数的参数正是前面分配的对象 t ;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(t) 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
简言之,使用信号量,我们可以轻松地实现一个限流器,使用起来还是非常简单的
总结
信号量在 Java 语言里面名气并不算大,但是在其他语言里却是很有知名度的。Java 在并发编程领域走的很快,重点支持的还是管程模型。管程模型理论上解决了信号量模型的一些不足,主要体现在易用性和工程化方面,例如用信号量解决也可以解决我们日常的普通阻塞队列问题
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