java通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)限流的示例

更新時(shí)間：2023年06月29日 09:50:52 作者：Shawn_Shawn

本文主要介紹了java通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)限流的示例，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

信號(hào)量由來

限流器

信號(hào)量的主要應(yīng)用場(chǎng)景是控制最多 N 個(gè)線程同時(shí)地訪問資源，其中計(jì)數(shù)器的最大值即是許可的最大值 N。

現(xiàn)在我們需要開發(fā)一個(gè)限流器，同一時(shí)刻最多有10個(gè)請(qǐng)求可以執(zhí)行。對(duì)于這樣的需求，我們實(shí)現(xiàn)的方案有：

使用Atomic類
使用Lock
使用條件變量
使用信號(hào)量

使用Atomic類實(shí)現(xiàn)

public class LimitByAtomic {
?
 ?private static final AtomicInteger COUNTER = new AtomicInteger(10);
?
 ?public void f() {
 ? ?int count = COUNTER.decrementAndGet();
 ? ?if (count < 0) {
 ? ? ?COUNTER.incrementAndGet();
 ? ? ?System.out.println("拒絕執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ? ? ?return; // 拒絕執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
 ?  }
?
 ? ?try {
 ? ? ?// 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
 ? ? ?System.out.println("執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ?  } finally {
 ? ? ?COUNTER.incrementAndGet();
 ?  }
  }
}

使用Lock實(shí)現(xiàn)

public class LimitByLock {
?
 ?private int count = 10;
?
 ?public void f() {
 ? ?if (count <= 0) {
 ? ? ?System.out.println("拒絕執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ? ? ?return;
 ?  }
?
 ? ?synchronized (this) {
 ? ? ?if (count <= 0) {
 ? ? ? ?System.out.println("拒絕執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ? ? ? ?return;
 ? ?  }
 ? ? ?count--;
 ?  }
?
 ? ?try {
 ? ? ?// 執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯
 ? ? ?System.out.println("執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ?  } finally {
 ? ? ?synchronized (this) {
 ? ? ? ?count++;
 ? ?  }
 ?  }
  }
}

使用條件變量實(shí)現(xiàn)

對(duì)于使用Atomic類還是Lock這兩種實(shí)現(xiàn)方式，都有一個(gè)缺點(diǎn)，如果10個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，當(dāng)?shù)?1個(gè)線程來執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)被拒絕掉，這樣就沒有執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯的機(jī)會(huì)，造成請(qǐng)求丟失。

所以我們可以通過線程等待-通知機(jī)制來解決上面的問題。如果10個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，當(dāng)?shù)?1個(gè)線程來執(zhí)行的時(shí)候，先阻塞這第11個(gè)線程，等待前面的10個(gè)線程只要執(zhí)行完一個(gè)，就通知第11個(gè)線程來執(zhí)行。

public class LimitByCondition {
?
 ?private int count = 10;
?
 ?public void f() throws Exception {
 ? ?synchronized (this) {
 ? ? ?while (count <= 0) {
 ? ? ? ?System.out.println("等待執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ? ? ? ?this.wait();
 ? ?  }
 ? ? ?count--;
 ?  }
?
 ? ?try {
 ? ? ?System.out.println("執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ?  } finally {
 ? ? ?synchronized (this) {
 ? ? ? ?count++;
 ? ? ? ?this.notifyAll();
 ? ?  }
 ?  }
  }
}

使用Semaphore實(shí)現(xiàn)

除了使用條件變量，java sdk中還可以使用Semaphore來實(shí)現(xiàn)。

public class LimitBySemaphore {
?
 ?private final Semaphore semaphore = new Semaphore(10);
?
 ?public void f() throws Exception {
 ? ?semaphore.acquire();
 ? ?try {
 ? ? ?System.out.println("執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯");
 ?  } finally {
 ? ? ?semaphore.release();
 ?  }
  }
}

接下來我們就來探討一下Semaphore的實(shí)現(xiàn)原理。

Semaphore實(shí)現(xiàn)原理

信號(hào)量模型

實(shí)際上Semaphore的實(shí)現(xiàn)原理非常簡單，總結(jié)下來就是：一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)等待隊(duì)列，三個(gè)方法。

在信號(hào)量模型里，計(jì)數(shù)器和等待隊(duì)列對(duì)外是透明，所以只能通過信號(hào)量模型提供的三個(gè)方法訪問，init(),down(),up()--這些方法都是原子性的。

init():設(shè)置計(jì)數(shù)器的初始值。

down():計(jì)數(shù)器的值減1；如果此時(shí)計(jì)數(shù)器的值小于0，則當(dāng)前線程將被阻塞，否則當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行。

up():計(jì)數(shù)器的值加1；如果此時(shí)計(jì)數(shù)器的值小于等于0，則喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程，并將其從等待隊(duì)列中移除。

class MySemaphore{
 ?// 計(jì)數(shù)器
 ?int count;
 ?// 等待隊(duì)列
 ?Queue queue;
 ?// 初始化操作
 ?MySemaphore(int c){
 ? ?this.count=c;
  }
 ?// 
 ?void down(){
 ? ?this.count--;
 ? ?if(this.count<0){
 ? ? ?// 將當(dāng)前線程插入等待隊(duì)列
 ? ? ?// 阻塞當(dāng)前線程
 ?  }
  }
 ?void up(){
 ? ?this.count++;
 ? ?if(this.count<=0) {
 ? ? ?// 移除等待隊(duì)列中的某個(gè)線程 T
 ? ? ?// 喚醒線程 T
 ?  }
  }
}
?

使用方法如下：

static int count;
// 初始化信號(hào)量
static final MySemaphore s 
 ? ?= new MySemaphore(1);
// 用信號(hào)量保證互斥 ? ?
static void addOne() {
 ?s.down();
 ?try {
 ? ?count+=1;
  } finally {
 ? ?s.up();
  }
}
?

實(shí)際上信號(hào)量模型，down()、up() 這兩個(gè)操作歷史上最早稱為 P 操作和 V 操作，所以信號(hào)量模型也被稱為 PV 原語。

Java Semaphore的實(shí)現(xiàn)

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
  public void acquire() throws InterruptedException;
 ?public void acquireUninterruptibly();
 ?public boolean tryAcquire();
 ?public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit);
 ?public void release();
 ?public void acquire(int permits) throws InterruptedException;
 ?public void acquireUninterruptibly(int permits) ;
 ?public boolean tryAcquire(int permits);
 ?public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
 ? ?throws InterruptedException;
 ?public void release(int permits);
}

Java Semaphore的實(shí)現(xiàn)，acquire()對(duì)應(yīng)信號(hào)量模型里的down()方法，release()對(duì)應(yīng)信號(hào)量模型里的up()方法。

Semaphore類提供的常用方法有以下幾個(gè)。我們可以粗略地將以下方法分為兩組。前五個(gè)為一組，默認(rèn)一次獲取或釋放的許可（permit）個(gè)數(shù)為1。后五個(gè)為一組，可以指定一次獲取或釋放的許可個(gè)數(shù)。對(duì)于每組方法來說，都有4個(gè)不同的獲取許可的方法：可中斷獲取、不可中斷獲取、非阻塞獲取、可超時(shí)獲取，這跟Lock提供的各種加鎖方法非常相似。

Java Semaphore的實(shí)現(xiàn)也是基于AQS來實(shí)現(xiàn)的，跟ReentrantLock一樣，Semaphore中的AQS也有公平鎖與非公平鎖這兩種實(shí)現(xiàn)。

public class Semaphore implements java.io.Serializable {
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
 ?  }
?
 ? ?// 非公平鎖
 ? ?static final class NonfairSync extends Sync {
 ?  }
 ? ?// 公平鎖
 ? ?static final class FairSync extends Sync {
 ?  }
 ? ?// 默認(rèn)使用非公平鎖
 ? ?public Semaphore(int permits) {
 ? ? ? ?sync = new NonfairSync(permits);
 ?  }
?
 ? ?public Semaphore(int permits, boolean fair) {
 ? ? ? ?sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
 ?  }
}

Semaphore可以看做是一種共享鎖，因此，F(xiàn)airSync類和NofairSync類實(shí)現(xiàn)了AQS的tryAcquireShared()抽象方法，不過，實(shí)現(xiàn)邏輯并不相同。對(duì)于tryReleaseShared()抽象方法，因?yàn)樵贔airSync和NofairSync中的實(shí)現(xiàn)邏輯相同，因此，它被放置于FairSync和NofairSync的公共父類Sync中。

acquire()實(shí)現(xiàn)如下：

// java.util.concurrent.Semaphore#acquire()
public void acquire() throws InterruptedException {
 ?sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
?
// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#acquireSharedInterruptibly
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
 ? ? ? ? ? ?throws InterruptedException {
 ?// 先判斷線程有沒有被中斷
 ?if (Thread.interrupted())
 ? ?throw new InterruptedException();
 ?// 嘗試獲取共享鎖，如果獲取許可失敗，返回值<0, 需要進(jìn)入等待隊(duì)列
 ?if (tryAcquireShared(arg) < 0)
 ? ?doAcquireSharedInterruptibly(arg); // 排隊(duì)等待隊(duì)列
}
?

tryAcquireShared()實(shí)現(xiàn)

// java.util.concurrent.Semaphore.FairSync#tryAcquireShared
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
 ?for (;;) {
 ? ?if (hasQueuedPredecessors()) // 比非公平鎖多了這一行
 ? ? ?return -1;
 ? ?int available = getState();
 ? ?int remaining = available - acquires;
 ? ?if (remaining < 0 ||
 ? ? ? ?compareAndSetState(available, remaining))
 ? ? ?return remaining;
  }
}
?
// java.util.concurrent.Semaphore.Sync#nonfairTryAcquireShared
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
 ?for (;;) {
 ? ?int available = getState();
 ? ?int remaining = available - acquires;
 ? ?if (remaining < 0 ||
 ? ? ? ?compareAndSetState(available, remaining))
 ? ? ?return remaining;
  }
}

以上兩個(gè)tryAcquireShared()函數(shù)的代碼實(shí)現(xiàn)基本相同。許可個(gè)數(shù)存放在AQS的state變量中，兩個(gè)函數(shù)都是通過自旋+CAS的方式來獲取許可。兩個(gè)函數(shù)唯一的區(qū)別在于，對(duì)于公平模式下的Semaphore，當(dāng)線程調(diào)用tryAcquireShared()函數(shù)時(shí)，如果等待隊(duì)列中有等待許可的線程，那么，線程將直接去排隊(duì)等待許可，而不是像非公平模式下的Semaphore那樣，線程可以插隊(duì)直接競爭許可。

release()實(shí)現(xiàn)

// java.util.concurrent.Semaphore#release()
public void release() {
 ?sync.releaseShared(1);
}
?
// java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#releaseShared
public final boolean releaseShared(int arg) {
 ?// 嘗試釋放許可
 ?if (tryReleaseShared(arg)) {
 ? ?// 喚醒等待隊(duì)列其中一個(gè)線程
 ? ?doReleaseShared();
 ? ?return true;
  }
 ?return false;
}
?
// java.util.concurrent.Semaphore.Sync#tryReleaseShared
protected final boolean tryReleaseShared(int releases) {
 ?// 采用自旋 + CAS來更新state
 ?for (;;) {
 ? ?int current = getState();
 ? ?int next = current + releases;
 ? ?if (next < current) // overflow
 ? ? ?throw new Error("Maximum permit count exceeded");
 ? ?if (compareAndSetState(current, next))
 ? ? ?return true;
  }
}

總結(jié)

semaphore其中一個(gè)功能是lock不容易實(shí)現(xiàn)的，那就是：semaphore可以允許多個(gè)線程訪問同一個(gè)臨界區(qū)。

比較常見的需求就是我們工作中遇到各種池化資源，例如連接池，對(duì)象池，線程池等等。其中，最熟悉的可能是數(shù)據(jù)庫連接池，在同一時(shí)刻，一定是允許多個(gè)線程同時(shí)使用連接池的，當(dāng)然，每個(gè)鏈接在被釋放前，是不允許其他線程使用的。

對(duì)象池：一次性創(chuàng)建出N個(gè)對(duì)象，之后所有的線程重復(fù)利用這N個(gè)對(duì)象，對(duì)象在被釋放前，也是不允許其他線程使用的。對(duì)象池，可以用List保存實(shí)例對(duì)象。

class ObjPool<T, R> {
 ?final List<T> pool;
 ?// 用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)限流器
 ?final Semaphore sem;
 ?// 構(gòu)造函數(shù)
 ?ObjPool(int size, T t){
 ? ?pool = new Vector<T>(){};
 ? ?for(int i=0; i<size; i++){
 ? ? ?pool.add(t);
 ?  }
 ? ?sem = new Semaphore(size);
  }
 ?// 利用對(duì)象池的對(duì)象，調(diào)用 func 限流
 ?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();
 ?  }
  }
}
// 創(chuàng)建對(duì)象池
ObjPool<Long, String> pool = 
 ?new ObjPool<Long, String>(10, 2);
// 通過對(duì)象池獲取 t，之后執(zhí)行 ?
pool.exec(t -> {
 ? ?System.out.println(t);
 ? ?return t.toString();
});
?

到此這篇關(guān)于java通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)限流的示例的文章就介紹到這了,更多相關(guān)java 限流內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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