Java Semaphore實現(xiàn)高并發(fā)場景下的流量控制
更新時間：2021年12月20日 08:48:14 作者：劍客阿良_ALiang
在java開發(fā)的工作中是否會出現(xiàn)這樣的場景，你需要實現(xiàn)一些異步運行的任務，該任務可能存在消耗大量內(nèi)存的情況，所以需要對任務進行并發(fā)控制。本文將介紹通過Semaphore類優(yōu)雅的實現(xiàn)并發(fā)控制，感興趣的可以了解一下
前言
在java開發(fā)的工作中是否會出現(xiàn)這樣的場景，你需要實現(xiàn)一些異步運行的任務，該任務可能存在消耗大量內(nèi)存的情況，所以需要對任務進行并發(fā)控制。如何優(yōu)雅的實現(xiàn)并發(fā)控制呢？下面我會給大家介紹一個類——Semaphore，能很優(yōu)雅的實現(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參數(shù)，分別對應的是信號量的許可次數(shù)以及是否為公平鎖，其中關于鎖的概念可以參考補充。
我們看一下主要使用到的方法——tryAcquire，嘗試申請鎖，看一下該方法有幾個實現(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是一個可重入的共享鎖，所以除了可以增加申請鎖的超時時間外，還可以設置申請的許可證數(shù)量。一般在業(yè)務場景中申請1次就可以了。
Semaphore還提供了阻塞的申請方式，一旦執(zhí)行就會一直阻塞直到申請到鎖，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(">>> 任務隊列初始化");
log.info(">>> 任務引擎啟動");
engineOn();
}
private static void engineOn() {
ENGINE_POOL.scheduleAtFixedRate(
() -> {
if (taskQueue.isEmpty()) {
log.info("隊列為空，無任務需要執(zhí)行");
} else {
if (SEMAPHORE.tryAcquire()) {
try {
Task task = taskQueue.poll();
log.info("code:{} 任務獲得執(zhí)行許可", task.getCode());
POOL.submit(task.getWork());
log.info("code:{} 任務提交執(zhí)行", task.getCode());
} catch (Exception exception) {
exception.printStackTrace();
}
} else {
log.info("執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務");
}
}
},
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", 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{}次進攻敵方基地", a);
ThreadUtil.sleep(1000);
});
log.info("進攻結(jié)束");
});
}
}
}
代碼說明：
1、先添加了兩個靜態(tài)的線程池，一個為給引擎工作的定時線程池，一個為給異步任務提供的任務線程池。
2、在初始化的時候會提前創(chuàng)建好任務隊列，這里使用的是LinkedBlockingQueue。
3、初始化之后，可以引擎會定時嘗試獲取Semaphore的許可證，如果可以拿到則將任務提交給線程池執(zhí)行。
4、在構(gòu)建任務的時候，會將需要執(zhí)行的內(nèi)容重新包裝，保證任務執(zhí)行結(jié)束的時候會主動釋放Semaphore的許可證。
5、main方法主要是在10秒內(nèi)提交10個不定時完成的任務，我們可以看看是否限制了異步任務的數(shù)量。
驗證一下，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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17:23:23.561 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:23.576 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:23.592 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:24.571 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:24.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:24.587 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:24.602 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:25.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:25.581 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:25.596 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:25.611 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次進攻敵方基地 17:23:26.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:26.584 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:26.600 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次進攻敵方基地 17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1-結(jié)束任務 17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任務提交執(zhí)行 17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4-結(jié)束任務 17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3-結(jié)束任務 17:23:27.605 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次進攻敵方基地 17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任務提交執(zhí)行 17:23:28.571 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:28.618 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次進攻敵方基地 17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任務提交執(zhí)行 17:23:29.565 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:29.581 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2-結(jié)束任務 17:23:30.571 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任務提交執(zhí)行 17:23:30.571 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5-結(jié)束任務 17:23:31.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:31.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8 任務提交執(zhí)行 17:23:31.561 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:31.577 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:31.577 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:32.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:32.572 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次進攻敵方基地 17:23:32.587 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:32.587 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:33.564 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:33.581 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次進攻敵方基地 17:23:33.596 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:33.596 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次進攻敵方基地 17:23:34.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 執(zhí)行任務數(shù)量已經(jīng)達到限制，無法執(zhí)行任務 17:23:34.592 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次進攻敵方基地 17:23:34.607 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次進攻敵方基地 17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6-結(jié)束任務 17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任務提交執(zhí)行 17:23:35.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8-結(jié)束任務 17:23:35.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次進攻敵方基地 17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任務獲得執(zhí)行許可 17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9-結(jié)束任務 17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任務提交執(zhí)行 17:23:36.571 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次進攻敵方基地 17:23:36.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次進攻敵方基地 17:23:37.564 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10-結(jié)束任務 17:23:37.626 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第8次進攻敵方基地 17:23:38.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 進攻結(jié)束 17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7-結(jié)束任務 17:23:39.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:40.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:41.567 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:42.562 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:43.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:44.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:45.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:46.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:47.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:48.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:49.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 17:23:50.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 隊列為空，無任務需要執(zhí)行 Process finished with exit code -1
可以看出，始終只有3個任務在執(zhí)行任務。
補充
獨占鎖與共享鎖
我發(fā)現(xiàn)很多人會把獨占鎖與公平鎖搞混，其實他們不在一個方向上。
獨占鎖
獨占鎖是指在同一個時間只能有一個線程占有他，所以具備排他性。像synchronized關鍵字就是典型的獨占鎖。
舉個栗子：獨占鎖相當于獨間的澡堂，一個人進了這件澡堂，其他人都不能進，只有等他出來。
共享鎖
什么是共享鎖？
就是指同一時間可以被多個線程占有，像java自帶的ReadWriteLock、Semaphore，他們可以設置自己共享的數(shù)量。
舉個栗子：共享鎖相當于一個大型公共澡堂，一開始就設定了能進去洗澡人的數(shù)量，比如是10個人，那么你要進去的時候會檢查一下有沒有滿10個，滿了你就在門口排隊去吧。
公平鎖與非公平鎖
如果你在排隊買奶茶，有個人插隊了但是沒人制止，你生不生氣？他買到了奶茶揚長而去，這公不公平。
公平鎖
公平鎖就是多個線程去申請鎖的使用權(quán)的時候，線程會直接進入隊列排隊，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。
舉個栗子：有個澡堂，里面已經(jīng)滿了，后面的人想沖進去。但是有個保安站在門口，他讓后面想進來的人都排好隊，出來一個，就從隊伍的前面放一個人進去。
沒錯，這就很公平。
但是公平鎖也會帶來其他的缺點，就是需要一個保安去控制，帶來的其他開銷。如果大家蜂擁而至去搶位置，少了這個保安，會更有效率。沒錯公平鎖的缺點就是會帶來更大的開銷以及吞吐量下降。
非公平鎖
與公平鎖對應的就是非公平了，簡而言之就是和公平鎖反正來，什么不公平來什么。關鍵字synchronized就是典型的非公平鎖。
缺點就是不公平，在某些場景中，特別是每次獲取鎖后會迅速執(zhí)行并且釋放鎖的情況下，非公平鎖是可以使用的。假設你洗澡的時間巨長，還有人插我隊，這誰能忍得了？
可重入鎖
可重入鎖的概念很多人容易理解錯，他是指同一個線程在申請到鎖的情況下，繼續(xù)申請鎖不會阻塞，而是有個計數(shù)器記錄該線程以及線程申請的次數(shù)。
舉個栗子：還是單間浴室，但是我有一個洗澡卡，一旦我進了洗澡間就要刷卡，而且出來的時候還需要刷卡退出。那么我一旦進了洗澡間，我可以刷好幾次進入卡，這不會阻塞住，因為都是我自己刷的。但是我退出洗澡間的時候我得刷同樣次數(shù)的退出卡，不然下一個進來的人刷不了進入卡。好理解嗎？你也別管我刷幾次，反正我刷幾次進入，就刷幾次退出。
像java的關鍵字synchronized和ReentrantLock類都是可重入鎖。
以上就是Java Semaphore實現(xiàn)高并發(fā)場景下的流量控制的詳細內(nèi)容，更多關于Java Semaphore流量控制的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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