Semaphore自白：限流器用我就對(duì)了！
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基本信息
姓名：Semaphore 中文名：（計(jì)數(shù)）信號(hào)量 出生日期：JDK 1.5 籍貫：JUC（java.util.concurrent） 用途：Java 中的一個(gè)同步器，與 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 不同，Semaphore 是用來(lái)管理許可證的，線程在調(diào)用 acquire() 方法時(shí)，如果沒(méi)有許可證，那么線程就會(huì)阻塞等待，直到有許可證時(shí)才能繼續(xù)執(zhí)行。許可證使用 release() 方法來(lái)發(fā)布（發(fā)布一個(gè)許可證），調(diào)用 acquire() 方法時(shí)，如果有證書(shū)會(huì)減少許可證并繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼，如果沒(méi)有證書(shū)只能阻塞等待許可證，而 Semaphore 在創(chuàng)建時(shí)會(huì)聲明許可證的最大數(shù)量。
專業(yè)技能
我的專業(yè)技能就是“管理證書(shū)”，使用此技能可以輕松的實(shí)現(xiàn)「限流」功能。
什么是限流？
比如五一小長(zhǎng)假快到了，到那時(shí)會(huì)有大量的人去各個(gè)景區(qū)游玩，但是每個(gè)景區(qū)能容納的人是有限的，比如大西安的大唐芙蓉園，它的日承載量是 6 萬(wàn)人次，也就是說(shuō)每天最多能讓 6 萬(wàn)來(lái)這里游玩，但五一的時(shí)候會(huì)來(lái)很多的人，比如突然來(lái)了 10 萬(wàn)人，那這個(gè)時(shí)候就只能「限流」排隊(duì)等待入園了。
也就說(shuō)，大唐芙蓉園會(huì)讓 6 萬(wàn)人先進(jìn)去玩，剩余的人在門(mén)口等待排隊(duì)，當(dāng)有人從里面出來(lái)的時(shí)候，才允許另一個(gè)排隊(duì)的人進(jìn)去。工作人員會(huì)把人數(shù)始終控制在 6 萬(wàn)人以下，這樣做的目的是為了讓游玩的人有一個(gè)好的體驗(yàn)，不至于造成一些意外事故，比如踩踏事件什么的，一定程度上保證了社會(huì)的穩(wěn)定，也便于景區(qū)良好的口碑建立和日后的正常運(yùn)營(yíng)，而這種排隊(duì)限制最大人數(shù)的行為就是「限流」。
再來(lái)舉個(gè)例子，比如以車輛的限號(hào)來(lái)說(shuō)，它也是限流的一種常見(jiàn)場(chǎng)景。這樣做的好處，一方面是可以保護(hù)環(huán)境盡可能少一些碳排放，另一方面能有效的緩解上、下班高峰時(shí)段的擁堵情況。尤其是在大西安，很難想象如果不限號(hào)，那么會(huì)堵成什么樣？（PS：讓原本本不富裕的生活更是雪上加霜...）
咱們?cè)購(gòu)纳钪械氖吕氐匠绦虍?dāng)中，假設(shè)一個(gè)程序只能為 10W 人提供服務(wù)，突然有一天因?yàn)槟硞€(gè)熱點(diǎn)事件，造成了系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)的訪問(wèn)量迅速增加到了 50W，那么導(dǎo)致的直接結(jié)果是系統(tǒng)崩潰，任何人都不能用系統(tǒng)了，顯然只有少人數(shù)能用遠(yuǎn)比所有人都不能用更符合我們的預(yù)期，因此這個(gè)時(shí)候我們要使用「限流」了。
使用Semaphore實(shí)現(xiàn)限流
Semaphore 在創(chuàng)建的時(shí)候可以設(shè)置證書(shū)的數(shù)量，相當(dāng)于設(shè)置了限流的最大值，再通過(guò) release() 方法來(lái)發(fā)放證書(shū)，通過(guò) acquire() 方法來(lái)阻塞并等待證書(shū)，這樣就通過(guò)控制證書(shū)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)限流功能了。
項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)
接下來(lái)，咱們使用代碼的方式來(lái)演示 Semaphore 的使用。我們以停車場(chǎng)的限流為例，假設(shè)整個(gè)停車場(chǎng)只有 2 個(gè)車位（車位雖少，但足矣說(shuō)明問(wèn)題），但來(lái)停車的卻有 5 輛車，顯然車位不夠用了，此時(shí)需要保證停車場(chǎng)最多只能有 2 輛車，接下來(lái)咱們使用 Semaphore 來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的限流功能，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
* Author：磊哥
* By：Java中文社群
*/
public class SemaphoreExample {
// 創(chuàng)建信號(hào)量
static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建 5 個(gè)固定的線程數(shù)
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
// 定義執(zhí)行任務(wù)
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 拿到當(dāng)前線程的名稱
String tname = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(String.format("老司機(jī)：%s，停車場(chǎng)外排隊(duì)，時(shí)間：%s",
tname, new Date()));
try {
// 執(zhí)行此行，讓所有線程先排隊(duì)等待進(jìn)入停車場(chǎng)
Thread.sleep(100);
// 執(zhí)行阻塞
semaphore.acquire();
System.out.println(String.format("老司機(jī)：%s，已進(jìn)入停車場(chǎng)，時(shí)間：%s",
tname, new Date()));
Thread.sleep(1000);
System.out.println(String.format("老司機(jī)：%s，離開(kāi)停車場(chǎng)，時(shí)間：%s",
tname, new Date()));
// 釋放鎖
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// 執(zhí)行任務(wù) 1
threadPool.submit(runnable);
// 執(zhí)行任務(wù) 2
threadPool.submit(runnable);
// 執(zhí)行任務(wù) 3
threadPool.submit(runnable);
// 執(zhí)行任務(wù) 4
threadPool.submit(runnable);
// 執(zhí)行任務(wù) 5
threadPool.submit(runnable);
// 等線程池任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉
threadPool.shutdown();
}
}
以上代碼的執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述的結(jié)果我們可以看出，當(dāng)有 5 輛車同時(shí)需要進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，因?yàn)橥＼噲?chǎng)的停車位只有 2 個(gè)，所以停車場(chǎng)最多只能容納 2 輛車。此時(shí)我們通過(guò) Semaphore 的 acquire 方法（阻塞等待）和 release 方法（頒發(fā)一個(gè)證書(shū)）順利的實(shí)現(xiàn)了限流的功能，讓停車場(chǎng)的車輛數(shù)始終控制在 2 輛車以下（等于或小于 2 輛車）。
個(gè)人評(píng)價(jià)
我（Semaphore）實(shí)現(xiàn)證書(shū)控制手段有兩種，一種公平模式和非公平模式，當(dāng)然為了執(zhí)行的性能考慮，默認(rèn)情況下我采取的是非公平的方式，具體實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)源碼：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits); // 非公平模式
}
關(guān)于公平模式和非公平模式
所謂的公平模式就是以調(diào)用 acquire() 的先后順序來(lái)決定獲取許可證的順序的，公平模式遵循先進(jìn)先出（FIFO）原則；而非公平模式是搶占式的，也就是有可能一個(gè)新的獲取線程恰好在一個(gè)許可證釋放時(shí)得到了這個(gè)許可證，而前面還有等待的線程。
顯然使用非公平的模式性能更高，因?yàn)樗鼤?huì)把許可證發(fā)放給剛好準(zhǔn)備好的線程，而不用再根據(jù)先后順序去“叫號(hào)”了。
使用公平模式
當(dāng)然，你可以手動(dòng)選擇使用公平模式來(lái)運(yùn)行 Semaphore，Semaphore 提供了兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)，源碼如下：
public Semaphore(int permits) {
sync = new NonfairSync(permits);
}
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
如果想用公平模式就可以使用第二個(gè)構(gòu)造函數(shù) Semaphore(int permits, boolean fair)，將 fair 值設(shè)置為 true 就是公平模式來(lái)獲取證書(shū)了。
其他補(bǔ)充
我還提供了一些其他方法，用于實(shí)現(xiàn)更多的功能，詳情如下：
int availablePermits()：返回此信號(hào)量中當(dāng)前可用的許可證數(shù)。 int getQueueLength()：返回正在等待獲取許可證的線程數(shù)。 boolean hasQueuedThreads()：是否有線程正在等待獲取許可證。 boolean isFair()：查詢 Semaphore 使用的是公平模式還是非公平模式，如果此信號(hào)量使用的是公平模式則返回 true。 void release(int permits)：釋放給定數(shù)量的許可證，將其返回到信號(hào)量。 tryAcquire()：從這個(gè)信號(hào)量獲得許可證，只有在調(diào)用時(shí)可以使用該許可證。 tryAcquire(int permits)：從這個(gè)信號(hào)量獲取給定數(shù)量的許可證，只有在調(diào)用時(shí)全部可用。 tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)：從該信號(hào)量獲取給定數(shù)量的許可證，如果在給定的等待時(shí)間內(nèi)全部可用，并且當(dāng)前線程尚未 interrupted。 tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)：如果在給定的等待時(shí)間內(nèi)可用，并且當(dāng)前線程尚未 到達(dá) interrupted，則從該信號(hào)量獲取許可。 void reducePermits(int reduction) ：減少可用的許可證數(shù)量 reduction 個(gè)，它是 protected 方法。 Collection getQueuedThreads() ：返回所有等待獲取許可證的線程集合，它是 protected 方法。
總結(jié)
Semaphore 信號(hào)量是用來(lái)管理一組證書(shū)的，默認(rèn)情況下它采取的是非公平的方式來(lái)管理證書(shū)，這樣做的目的是為了實(shí)現(xiàn)高性能。Semaphore 中包含了兩個(gè)重要的方法：release() 方法發(fā)布一個(gè)許可證書(shū)；acquire() 方法阻塞并等待一個(gè)證書(shū)。當(dāng)線程調(diào)用了 acquire() 方法只有擁有了證書(shū)才能繼續(xù)執(zhí)行，因此可以使用 Semaphore 來(lái)實(shí)現(xiàn)限流。
— 本文結(jié)束 —
● 漫談設(shè)計(jì)模式在 Spring 框架中的良好實(shí)踐
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