Semaphore：如何快速实现一个限流器？

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()。
  • 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。
  • 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。
  • 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

快速实现一个限流器

• 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。
  • 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，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。
• 所谓对象池，指的是一次性创建出 N 个对象，之后所有的线程重复利用这 N 个对象，当然对象在被释放前，也是不允许其他线程使用的。
  • 对象池，可以用 List 保存实例对象，这个很简单。
  • 但关键是限流器的设计，这里的限流，指的是不允许多于 N 个线程同时进入临界区。
  • 那如何快速实现⼀个这样的限流器呢？如果我们把计数器的值设置成对象池里对象的个数 N，就能完美解决对象池的限流问题了。

    import java.util.List;
    import java.util.Vector;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    import java.util.function.Function;
    
    public class ObjPool<T, R> {
        final List<T> pool;
        // ⽤信号量实现限流器
        final Semaphore semaphore;
        // 构造函数
        ObjPool(int size, T t) {
            pool = new Vector<T>(){};
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                pool.add(t);
            }
            semaphore = new Semaphore(size);
        }
    
        // 利⽤对象池的对象，调⽤ func
        // function 的作用是转换，将一个值转为另外一个值
        R exec(Function<T, R> function) throws InterruptedException {
            T t = null;
            semaphore.acquire();
            try {
                t = pool.remove(0);
                return function.apply(t);
            } finally {
                pool.add(t);
                semaphore.release();
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            // 创建对象池
            ObjPool<Long, String> objPool = new ObjPool<Long, String>(10, 2L);
            // 通过对象池获取 t，之后执⾏
            objPool.exec(t -> {
                System.out.println(t);
                return t.toString();
            });
        }
    }
    

  • 我们用一个 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，而其他线程则会阻塞在 acquire() 方法上。
    • 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。