番外篇信号量Semaphore和线程池的差异

2019-05-07 本文已影响0人小超_8b2f

一、首先要明白Semaphore和线程池各自是干什么？

信号量Semaphore是一个并发工具类，用来控制 $\color{red}{可同时并发的}$ 线程数，其内部维护了一组虚拟许可，通过构造器指定许可的数量，每次线程执行操作时先通过acquire方法获得许可，执行完毕再通过release方法释放许可。如果无可用许可，那么acquire方法将一直阻塞，直到其它线程释放许可。

线程池用来控制 $\color{red}{实际工作的（总的）}$ 线程数量，通过线程复用的方式来减小内存开销。线程池可同时工作的线程数量是一定的，超过该数量的线程调用需进入 $\color{red}{任务队列}$ 等待，直到有可用的工作线程来执行任务队列中的任务。

信号量Seamphore创建多少线程实际就会有多少线程执行，只是可同时执行的线程数量会受到限制。但使用线程池，不管你提交多少任务到线程池，实际可执行的线程数是一定的。

以下通过具体的案例来说明二者具体的区别。

1）使用Semaphore：

public static void testSeamphore() {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Thread thread = new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ " start running **********************");
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ " stop running  ----------------------");
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        thread.start();
    }
}

我们创建了5个线程，信号量为2，打印如下：

Thread-0 start running **********************
Thread-1 start running **********************
Thread-1 stop running ----------------------
Thread-0 stop running ----------------------
Thread-2 start running **********************
Thread-3 start running **********************
Thread-3 stop running ----------------------
Thread-2 stop running ----------------------
Thread-4 start running **********************
Thread-4 stop running ----------------------

通过控制台容易观察，每次最多会打印2条***的记录。可以看出来总共创建的 $\color{red}{5个线程}$ 都执行完毕， $\color{red}{5个线程对象互不相同}$ 。

2）使用线程池：

public static void testPool() {
    ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(2, 5,
            0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
            new LinkedBlockingQueue<Runnable>());

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Thread thread = new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ " start running **********************");
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
+ " stop running  ----------------------");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        executorService.submit(thread);
    }
    executorService.shutdown();
}

我们创建了一个核心容量为2，总容量为5的线程池，并行执行5个线程任务。打印如下：

pool-1-thread-2 start running **********************
pool-1-thread-1 start running **********************
pool-1-thread-2 stop running ----------------------
pool-1-thread-1 stop running ----------------------
pool-1-thread-2 start running **********************
pool-1-thread-1 start running **********************
pool-1-thread-1 stop running ----------------------
pool-1-thread-2 stop running ----------------------
pool-1-thread-1 start running **********************
pool-1-thread-1 stop running ----------------------

通过控制台容易观察虽然每次最多也是两条***的打印记录，但是执行任务的 $\color{red}{始终是2个固定的线程}$ ，这两条工作线程不是我们自己创建的，是线程池提供的。它们是pool-1-thread-1和pool-1-thread-2。

总结：

信号量的调用，当达到数量后，线程还是存在的，只是被挂起了而已。而线程池，同时执行的线程数量是固定的，超过了数量的只能等待。
线程池控制的是线程数量，而信号量控制的是并发数量，虽然说这个看起来一样，但是还是有区别的。
线程池是线程复用的；信号量是线程同步的

二、Semaphore作为互斥锁的体现

Semaphore实现互斥锁的方式是使用初始值为1的Semaphore对象，这样每条线程获取许可后必须释放许可，其它线程才能获取许可，当前拥有许可的线程就拥有了互斥锁。

以下是具体案例：

public static void testMutex() {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已获得许可");
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已释放许可");
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }.start();
    }
}

控制台打印如下：

Thread-0已获得许可
Thread-0已释放许可
Thread-1已获得许可
Thread-1已释放许可
Thread-2已获得许可
Thread-2已释放许可
Thread-3已获得许可
Thread-3已释放许可
Thread-4已获得许可
Thread-4已释放许可

可以看出，任何一个线程在释放许可之前，其它线程都拿不到许可。这样当前线程必须执行完毕，其它线程才可执行。这样就实现了互斥。

三、Semaphore先release后acquire

Seamphore有一种特殊的使用场景，即先释放许可，后申请许可，此时会额外增加一个许可。

实际编程中要额外小心，如下的实例，通过new Semaphore(0)创建的信号量，默认许可数是0，如果先调用release，会增加一个许可，再次acquire便可以获取新增的许可。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
    System.out.println(semaphore.availablePermits());
    semaphore.release();
    System.out.println(semaphore.availablePermits());
    semaphore.acquire(); //阻塞
    System.out.println(semaphore.availablePermits());
}

所以上面的代码实际上不会发生阻塞，而是直接输出0 1 0。本例中如果将release和acquire调换位置，则一定会发生阻塞。

0
1
0

四、结合信号量和线程池，控制线程池任务提交的速率

@ThreadSafe
public class BoundedExecutor {
    private final ExecutorService executor;
    private final Semaphore semaphore;

    public BoundedExecutor(ExecutorService executor, int bound) {
        this.executor = executor;
        this.semaphore = new Semaphore(bound);
    }

    public void submitTask(final Runnable command) {
        try {
            semaphore.acquire();
            executor.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        command.run();
                    }finally {
                        semaphore.release();
                    }
                }
            });
        } catch (InterruptedException e) {
            semaphore.release();
        }
    }

    public void stop(){
        this.executor.shutdown();
    }

    static class MyThread extends Thread {
        public String name;
        public MyThread(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Thread-"+name+" is running....");
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(10000));
            }catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(2,2,0L, TimeUnit.MILLISECONDS,new LinkedBlockingQueue<Runnable>(5));
        BoundedExecutor executor = new BoundedExecutor(executorService, 5);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executor.submitTask(new MyThread(""+i));
        }
        executor.stop();
    }
}

多线程是提高并发量，信号量是控制并发。

$\color{red}{但是为什么要控制线程池提交的速率呢?这么做有什么意义呢?岂不是与使用线程池的目的背道而驰了？}$

参考文献：Java信号量Semaphore详解

番外篇信号量Semaphore和线程池的差异

一、首先要明白Semaphore和线程池各自是干什么？

1）使用Semaphore：

2）使用线程池：

总结：

二、Semaphore作为互斥锁的体现

三、Semaphore先release后acquire

四、结合信号量和线程池，控制线程池任务提交的速率

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三、Semaphore先release后acquire

四、结合信号量和线程池，控制线程池任务提交的速率

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