Java高并发编程基础三大利器之Semaphore
引言
最近可以进行个税申报了，还没有申报的同学可以赶紧去试试哦。不过我反正是从上午到下午一直都没有成功的进行申报，一进行申报 就返回“当前访问人数过多，请稍后再试”。为什么有些人就能够申报成功，有些人就直接返回失败。这很明显申报处理资源是有限的， 只能等别人处理完了在来处理你的，你如果运气好可能重试几次就轮到你了，如果运气不好可能重试一天也可能轮不到你。 我反正已经是放弃了，等到夜深人静的时候再来试试。作为一个程序员我们肯定知道这是个税申请app的限流操作，如果还有不懂什么 是限流操作的可以参考下这个文章《高并发系统三大利器之限流》。 比如个税申报系统每台机器只最多分别只能处理1000个请求，再多的请求就会把机器打挂。如果是多余的请求就把这些请求拒绝掉。直接给你返回一句温馨提示：“当前访问人数过多，请稍后再试”,如果要实现这个功能大家想想可以通过哪些方法算法来实现。
共享锁、独占锁
学习semaphore之前我们必须要先了解下什么是共享锁。在上一篇文章《Java高并发编程基础之AQS》我们介绍了公平锁于非公平锁的区别。
- 共享锁：它是允许多个线程同时获取锁，并发的访问共享资源
- 独占锁：也有人把它叫做“独享锁”，它是是独占的，排他的，只能被一个线程可持有，
当独占锁已经被某个线程持有时，其他线程只能等待它被释放后，才能去争锁，并且同一时刻只有一个线程能争锁成功。
什么是Semaphore
在《Java并发编程的艺术》这一书中是这么说的:
Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。很多年以来，我都觉得从字面上很难理解Semaphore所表达的含义，只能把它比作是控制流量的红绿灯，比如XX马路要限制流量，只允许同时有一百辆车在这条路上行使，其他的都必须在路口等待，所以前一百辆车会看到绿灯，可以开进这条马路，后面的车会看到红灯，不能驶入XX马路，但是如果前一百辆中有五辆车已经离开了XX马路，那么后面就允许有5辆车驶入马路，这个例子里说的车就是线程，驶入马路就表示线程在执行，离开马路就表示线程执行完成，看见红灯就表示线程被阻塞，不能执行。
- Semaphore机制是提供给线程抢占式获取许可，所以他可以实现公平或者非公平，类似于ReentrantLock。
说了这么多我们来个实际的例子看一看，比如我们去停车场停车，停车场总共只有5个车位，但是现在有8辆汽车来停车，剩下的3辆汽车要么等其他汽车开走后进行停车，或者去找别的停车位？
/**
* @author: 公众号【Java金融】
*/
public class SemaphoreTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 初始化五个车位
Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
// 等所有车子
final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(8);
for (int i = 0; i < 8; i++) {
int finalI = i;
if (i == 5) {
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {
stopCarNotWait(semaphore, finalI);
latch.countDown();
}).start();
continue;
}
new Thread(() -> {
stopCarWait(semaphore, finalI);
latch.countDown();
}).start();
}
latch.await();
log("总共还剩：" + semaphore.availablePermits() + "个车位");
}
private static void stopCarWait(Semaphore semaphore, int finalI) {
String format = String.format("车牌号%d", finalI);
try {
semaphore.acquire(1);
log(format + "找到车位了，去停车了");
Thread.sleep(10000);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
semaphore.release(1);
log(format + "开走了");
}
}
private static void stopCarNotWait(Semaphore semaphore, int finalI) {
String format = String.format("车牌号%d", finalI);
try {
if (semaphore.tryAcquire()) {
log(format + "找到车位了，去停车了");
Thread.sleep(10000);
log(format + "开走了");
semaphore.release();
} else {
log(format + "没有停车位了，不在这里等了去其他地方停车去了");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void log(String content) {
// 格式化
DateTimeFormatter fmTime = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
// 当前时间
LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
System.out.println(now.format(fmTime) + " "+content);
}
}
2021-03-01 18:54:57 车牌号0找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:54:57 车牌号3找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:54:57 车牌号2找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:54:57 车牌号1找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:54:57 车牌号4找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:54:58 车牌号5没有停车位了，不在这里等了去其他地方停车去了
2021-03-01 18:55:07 车牌号7找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:55:07 车牌号6找到车位了，去停车了
2021-03-01 18:55:07 车牌号2开走了
2021-03-01 18:55:07 车牌号0开走了
2021-03-01 18:55:07 车牌号3开走了
2021-03-01 18:55:07 车牌号4开走了
2021-03-01 18:55:07 车牌号1开走了
2021-03-01 18:55:17 车牌号7开走了
2021-03-01 18:55:17 车牌号6开走了
2021-03-01 18:55:17 总共还剩：5个车位
从输出结果我们可以看到车牌号5这辆车看见没有车位了，就不在这个地方傻傻的等了，而是去其他地方了，但是车牌号6和车牌号7分别需要等到车库开出两辆车空出两个车位后才停进去。这就体现了Semaphore 的acquire 方法如果没有获取到凭证它就会阻塞，而tryAcquire方法如果没有获取到凭证不会阻塞的。
semaphore在dubbo中的应用
在Dubbo中可以给Provider配置线程池大小来控制系统提供服务的最大并行度，默认是200。
<dubbo:provider threads="200"/>
比如我现在这个订单系统有三个接口，分别为创单、取消订单、修改订单。这三个接口加起来的并发是200但是创单接口是核心接口，我想让它多分点线程来执行 让它可以有最大150个线程，取消订单和修改订单分别最大25个线程执行就可以了。dubbo提供了executes这一属性来实现这个功能
<dubbo:service interface="cn.javajr.service.CreateOrderService" executes="150"/>
<dubbo:service interface="cn.javajr.service.CancelOrderService" executes="25"/>
<dubbo:service interface="cn.javajr.service.EditOrderService" executes="25"/>
我们可以看看dubbo内部是如何来executes的，具体实现是在ExecuteLimitFilter这个类我们可以
public Result invoke(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) throws RpcException {
URL url = invoker.getUrl();
String methodName = invocation.getMethodName();
Semaphore executesLimit = null;
boolean acquireResult = false;
int max = url.getMethodParameter(methodName, Constants.EXECUTES_KEY, 0);
if (max > 0) {
RpcStatus count = RpcStatus.getStatus(url, invocation.getMethodName());
// 如果当前使用的线程数量已经大于等于设置的阈值，那么直接抛出异常
// if (count.getActive() >= max) {
// throw new RpcException("Failed to invoke method " + invocation.getMethodName() + " in provider " + url + ", cause: The service // using threads greater than <dubbo:service executes=\"" + max + "\" /> limited.");
/**
* http://manzhizhen.iteye.com/blog/2386408
* use semaphore for concurrency control (to limit thread number)
*/
executesLimit = count.getSemaphore(max);
if(executesLimit != null && !(acquireResult = executesLimit.tryAcquire())) {
throw new RpcException("Failed to invoke method " + invocation.getMethodName() + " in provider " + url + ", cause: The service using threads greater than <dubbo:service executes=\"" + max + "\" /> limited.");
}
}
long begin = System.currentTimeMillis();
boolean isSuccess = true;
// 计数器+1
RpcStatus.beginCount(url, methodName);
try {
Result result = invoker.invoke(invocation);
return result;
} catch (Throwable t) {
isSuccess = false;
if (t instanceof RuntimeException) {
throw (RuntimeException) t;
} else {
throw new RpcException("unexpected exception when ExecuteLimitFilter", t);
}
} finally {
// 计数器-1
RpcStatus.endCount(url, methodName, System.currentTimeMillis() - begin, isSuccess);
if(acquireResult) {
executesLimit.release();
}
}
}
从上述代码我们也可以看出早期这个是没有采用Semaphore来实现的，而是直接采用被注释的 if (count.getActive() >= max) 这个来来实现的，由于这个count.getActive() >= max 和这个计数加1不是原子性的,所以会有问题，后面才采用上述代码用Semaphore来修复非原子性问题。具体更详细的分析可以参见代码的链接。不过现在最新版本（2.7.9）我看是采用采用自旋加上和CAS来实现的。
Semaphore
上面就是对Semaphore一个简单的使用以及dubbo中用到的例子,说句实话Semaphore在工作中用的还是比较少的，不过面试又有可能会被问到，所以还是有必要来一起学习一下它。我们前面《Java高并发编程基础之AQS》通过ReentrantLock 一起学习了下AQS，其实Semaphore同样也是通过AQS来是实现的，我们可以一起来对照下独占锁的方法，基本上都是有方法一一相对应的。
这里有两点稍微需要注意的地方：
- 在独占锁模式中，我们只有在获取了独占锁的节点释放锁时，才会唤醒后继节点，因为独占锁只能被一个线程持有，如果它还没有被释放，就没有必要去唤醒它的后继节点。
- 在共享锁模式下，当一个节点获取到了共享锁，我们在获取成功后就可以唤醒后继节点了，而不需要等到该节点释放锁的时候，这是因为共享锁可以被多个线程同时持有，一个锁获取到了，则后继的节点都可以直接来获取。因此，在共享锁模式下，在获取锁和释放锁结束时，都会唤醒后继节点。
获取凭证
我们同样还是通过非公平锁的模式来老获取凭证 我们可以看下acquire的核心方法
public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireSharedInterruptibly(arg);
}
protected int tryAcquireShared(int acquires) {
return nonfairTryAcquireShared(acquires);
}
// 主要看下这个方法，这个方法返回的值也就是tryAcquireShared返回的值，因为tryAcquireShared->nonfairTryAcquireShared
final int nonfairTryAcquireShared(int acquires) {
//自旋
for (;;) {
//Semaphore用AQS的state变量的值代表可用许可数
int available = getState();
//可用许可数减去本次需要获取的许可数即为剩余许可数
int remaining = available - acquires;
//如果剩余许可数小于0或者CAS将当前可用许可数设置为剩余许可数成功，则返回成功许可数
if (remaining < 0 ||
compareAndSetState(available, remaining))
return remaining;
}
- 当tryAcquireShared 获取返回许可书小于0时说明获取许可失败需要进入doAcquireSharedInterruptibly这个方法去休眠。
- 当tryAcquireShared 获取返回许可书小于0时说明获取许可成功直接结束。
doAcquireSharedInterruptibly
```java
private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
throws InterruptedException {
// 独占锁的acquireQueued调用的是addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，
// 而共享锁调用的是addWaiter(Node.SHARED)，表明了该节点处于共享模式
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
throw new InterruptedException();
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
这个方法是不是跟我们上篇文章讲的AQS的独占锁的acquireQueued很像，不过独占锁它是直接调用了用了setHead(node)方法，而共享锁调用的是setHeadAndPropagate(node, r) 这个方法除了调用setHead 里面还调用了doReleaseShared（唤醒后继节点）
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head; // Record old head for check below
setHead(node);
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
if (s == null || s.isShared())
doReleaseShared();
}
}
其他的方法基本上是和ReentrantLock来实现的独占锁差不多，我相信大家对源码分析感兴趣的应该也不多，其他更多细节问题还是需要自己亲自动手去看源码的。
总结
- 当信号量Semaphore初始化设置许可证为1 时，它也可以当作互斥锁使用。其中0、1就相当于它的状态，当=1时表示其他线程可以获取，当=0时，排他，即其他线程必须要等待。
- Semaphore是JUC包中的一个很简单的工具类，用来实现多线程下对于资源的同一时刻的访问线程数限制
- Semaphore中存在一个【许可】的概念，即访问资源之前，先要获得许可，如果当前许可数量为0，那么线程阻塞，直到获得许可
- Semaphore内部使用AQS实现，由抽象内部类Sync继承了AQS。因为Semaphore天生就是共享的场景，所以其内部实际上类似于共享锁的实现
- 共享锁的调用框架和独占锁很相似，它们最大的不同在于获取锁的逻辑——共享锁可以被多个线程同时持有，而独占锁同一时刻只能被一个线程持有。
- 由于共享锁同一时刻可以被多个线程持有，因此当头节点获取到共享锁时，可以立即唤醒后继节点来争锁，而不必等到释放锁的时候。因此，共享锁触发唤醒后继节点的行为可能有两处，一处在当前节点成功获得共享锁后，一处在当前节点释放共享锁后。
- 采用semaphore来进行限流的话会产生突刺现象。
指在一定时间内的一小段时间内就用完了所有资源，后大部分时间中无资源可用。 比如在限流方法中的计算器算法，设置1s内的最大请求数为100，在前100ms已经永远了100个请求，则后面900ms将无法处理请求，这就是突刺现象
作者：码农二胖
链接：https://juejin.cn/post/6935617340474294286
来源：掘金
