Java Semaphore實(shí)現(xiàn)高并發(fā)場(chǎng)景下的流量控制
更新時(shí)間：2021年12月20日 08:48:14 作者：劍客阿良_ALiang
在java開(kāi)發(fā)的工作中是否會(huì)出現(xiàn)這樣的場(chǎng)景，你需要實(shí)現(xiàn)一些異步運(yùn)行的任務(wù)，該任務(wù)可能存在消耗大量?jī)?nèi)存的情況，所以需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行并發(fā)控制。本文將介紹通過(guò)Semaphore類優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制，感興趣的可以了解一下
前言
在java開(kāi)發(fā)的工作中是否會(huì)出現(xiàn)這樣的場(chǎng)景，你需要實(shí)現(xiàn)一些異步運(yùn)行的任務(wù)，該任務(wù)可能存在消耗大量?jī)?nèi)存的情況，所以需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行并發(fā)控制。如何優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制呢？下面我會(huì)給大家介紹一個(gè)類——Semaphore，能很優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制，繼續(xù)往下看吧。
Semaphore介紹
首先我們看一下Semaphore類的構(gòu)造函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。
public Semaphore(int permits, boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}
我們可以看到有兩個(gè)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)的是信號(hào)量的許可次數(shù)以及是否為公平鎖，其中關(guān)于鎖的概念可以參考補(bǔ)充。
我們看一下主要使用到的方法——tryAcquire，嘗試申請(qǐng)鎖，看一下該方法有幾個(gè)實(shí)現(xiàn)。
public boolean tryAcquire() {
return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public boolean tryAcquire(int permits) {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
}
public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
}
我們需要注意的是，Semaphore是一個(gè)可重入的共享鎖，所以除了可以增加申請(qǐng)鎖的超時(shí)時(shí)間外，還可以設(shè)置申請(qǐng)的許可證數(shù)量。一般在業(yè)務(wù)場(chǎng)景中申請(qǐng)1次就可以了。
Semaphore還提供了阻塞的申請(qǐng)方式，一旦執(zhí)行就會(huì)一直阻塞直到申請(qǐng)到鎖，就是acquire方法。有興趣的話，可以看看，也基本上支持多種參數(shù)實(shí)現(xiàn)。
代碼演示
下面看一下我寫的demo代碼，演示一下Semaphore的限流效果。
先添加一些maven依賴
<dependency>
<groupId>cn.hutool</groupId>
<artifactId>hutool-all</artifactId>
<version>5.7.15</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<optional>true</optional>
</dependency>
示例代碼
package com.huyi.csdn.tools;
import cn.hutool.core.thread.ThreadUtil;
import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.scheduling.concurrent.CustomizableThreadFactory;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* @Program: csdn @ClassName: SemaphoreDemo @Author: 劍客阿良_ALiang @Date: 2021-12-18
* 10:03 @Description: @Version: V1.0
*/
@Slf4j
public class SemaphoreDemo {
private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(3, true);
private static final ExecutorService POOL =
Executors.newFixedThreadPool(10, new CustomizableThreadFactory("TASK-"));
private static final ScheduledExecutorService ENGINE_POOL =
Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(new CustomizableThreadFactory("ENGINE-"));
public static LinkedBlockingQueue<Task> taskQueue;
public static AtomicInteger codeBuilder;
@Data
@Builder
public static class Task {
private Integer code;
private Runnable work;
}
public static void init() {
taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
codeBuilder = new AtomicInteger(0);
log.info(">>> 任務(wù)隊(duì)列初始化");
log.info(">>> 任務(wù)引擎啟動(dòng)");
engineOn();
}
private static void engineOn() {
ENGINE_POOL.scheduleAtFixedRate(
() -> {
if (taskQueue.isEmpty()) {
log.info("隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行");
} else {
if (SEMAPHORE.tryAcquire()) {
try {
Task task = taskQueue.poll();
log.info("code:{} 任務(wù)獲得執(zhí)行許可", task.getCode());
POOL.submit(task.getWork());
log.info("code:{} 任務(wù)提交執(zhí)行", task.getCode());
} catch (Exception exception) {
exception.printStackTrace();
}
} else {
log.info("執(zhí)行任務(wù)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到限制，無(wú)法執(zhí)行任務(wù)");
}
}
},
0,
1,
TimeUnit.SECONDS);
}
public static void addTask(Runnable runnable) {
Integer code = codeBuilder.incrementAndGet();
Task task =
Task.builder()
.code(code)
.work(
() -> {
try {
runnable.run();
} catch (Exception exception) {
exception.printStackTrace();
} finally {
log.info("code:{}-結(jié)束任務(wù)", code);
SEMAPHORE.release();
}
})
.build();
taskQueue.add(task);
}
public static void main(String[] args) {
SemaphoreDemo.init();
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
SemaphoreDemo.addTask(
() -> {
IntStream.range(1, random.nextInt(10) + 1)
.forEach(
a -> {
log.info("第{}次進(jìn)攻敵方基地", a);
ThreadUtil.sleep(1000);
});
log.info("進(jìn)攻結(jié)束");
});
}
}
}
代碼說(shuō)明：
1、先添加了兩個(gè)靜態(tài)的線程池，一個(gè)為給引擎工作的定時(shí)線程池，一個(gè)為給異步任務(wù)提供的任務(wù)線程池。
2、在初始化的時(shí)候會(huì)提前創(chuàng)建好任務(wù)隊(duì)列，這里使用的是LinkedBlockingQueue。
3、初始化之后，可以引擎會(huì)定時(shí)嘗試獲取Semaphore的許可證，如果可以拿到則將任務(wù)提交給線程池執(zhí)行。
4、在構(gòu)建任務(wù)的時(shí)候，會(huì)將需要執(zhí)行的內(nèi)容重新包裝，保證任務(wù)執(zhí)行結(jié)束的時(shí)候會(huì)主動(dòng)釋放Semaphore的許可證。
5、main方法主要是在10秒內(nèi)提交10個(gè)不定時(shí)完成的任務(wù)，我們可以看看是否限制了異步任務(wù)的數(shù)量。
驗(yàn)證一下，看看執(zhí)行結(jié)果
E:\Java\jdk1.8.0_40\bin\java.exe "-javaagent:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\lib\idea_rt.jar=3927:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath 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com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:44.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:45.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:46.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:47.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:48.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:49.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 17:23:50.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊(duì)列為空，無(wú)任務(wù)需要執(zhí)行 Process finished with exit code -1
可以看出，始終只有3個(gè)任務(wù)在執(zhí)行任務(wù)。
補(bǔ)充
獨(dú)占鎖與共享鎖
我發(fā)現(xiàn)很多人會(huì)把獨(dú)占鎖與公平鎖搞混，其實(shí)他們不在一個(gè)方向上。
獨(dú)占鎖
獨(dú)占鎖是指在同一個(gè)時(shí)間只能有一個(gè)線程占有他，所以具備排他性。像synchronized關(guān)鍵字就是典型的獨(dú)占鎖。
舉個(gè)栗子：獨(dú)占鎖相當(dāng)于獨(dú)間的澡堂，一個(gè)人進(jìn)了這件澡堂，其他人都不能進(jìn)，只有等他出來(lái)。
共享鎖
什么是共享鎖？
就是指同一時(shí)間可以被多個(gè)線程占有，像java自帶的ReadWriteLock、Semaphore，他們可以設(shè)置自己共享的數(shù)量。
舉個(gè)栗子：共享鎖相當(dāng)于一個(gè)大型公共澡堂，一開(kāi)始就設(shè)定了能進(jìn)去洗澡人的數(shù)量，比如是10個(gè)人，那么你要進(jìn)去的時(shí)候會(huì)檢查一下有沒(méi)有滿10個(gè)，滿了你就在門口排隊(duì)去吧。
公平鎖與非公平鎖
如果你在排隊(duì)買奶茶，有個(gè)人插隊(duì)了但是沒(méi)人制止，你生不生氣？他買到了奶茶揚(yáng)長(zhǎng)而去，這公不公平。
公平鎖
公平鎖就是多個(gè)線程去申請(qǐng)鎖的使用權(quán)的時(shí)候，線程會(huì)直接進(jìn)入隊(duì)列排隊(duì)，排在前面的可以先獲得鎖，排在后面的只能等著前面的先用。
舉個(gè)栗子：有個(gè)澡堂，里面已經(jīng)滿了，后面的人想沖進(jìn)去。但是有個(gè)保安站在門口，他讓后面想進(jìn)來(lái)的人都排好隊(duì)，出來(lái)一個(gè)，就從隊(duì)伍的前面放一個(gè)人進(jìn)去。
沒(méi)錯(cuò)，這就很公平。
但是公平鎖也會(huì)帶來(lái)其他的缺點(diǎn)，就是需要一個(gè)保安去控制，帶來(lái)的其他開(kāi)銷。如果大家蜂擁而至去搶位置，少了這個(gè)保安，會(huì)更有效率。沒(méi)錯(cuò)公平鎖的缺點(diǎn)就是會(huì)帶來(lái)更大的開(kāi)銷以及吞吐量下降。
非公平鎖
與公平鎖對(duì)應(yīng)的就是非公平了，簡(jiǎn)而言之就是和公平鎖反正來(lái)，什么不公平來(lái)什么。關(guān)鍵字synchronized就是典型的非公平鎖。
缺點(diǎn)就是不公平，在某些場(chǎng)景中，特別是每次獲取鎖后會(huì)迅速執(zhí)行并且釋放鎖的情況下，非公平鎖是可以使用的。假設(shè)你洗澡的時(shí)間巨長(zhǎng)，還有人插我隊(duì)，這誰(shuí)能忍得了？
可重入鎖
可重入鎖的概念很多人容易理解錯(cuò)，他是指同一個(gè)線程在申請(qǐng)到鎖的情況下，繼續(xù)申請(qǐng)鎖不會(huì)阻塞，而是有個(gè)計(jì)數(shù)器記錄該線程以及線程申請(qǐng)的次數(shù)。
舉個(gè)栗子：還是單間浴室，但是我有一個(gè)洗澡卡，一旦我進(jìn)了洗澡間就要刷卡，而且出來(lái)的時(shí)候還需要刷卡退出。那么我一旦進(jìn)了洗澡間，我可以刷好幾次進(jìn)入卡，這不會(huì)阻塞住，因?yàn)槎际俏易约核⒌?。但是我退出洗澡間的時(shí)候我得刷同樣次數(shù)的退出卡，不然下一個(gè)進(jìn)來(lái)的人刷不了進(jìn)入卡。好理解嗎？你也別管我刷幾次，反正我刷幾次進(jìn)入，就刷幾次退出。
像java的關(guān)鍵字synchronized和ReentrantLock類都是可重入鎖。
以上就是Java Semaphore實(shí)現(xiàn)高并發(fā)場(chǎng)景下的流量控制的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java Semaphore流量控制的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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