java通过信号量实现限流的示例
信号量(Semaphore)是 Java 多线程并发中的一种 JDK 内置同步器,通过它可以实现多线程对公共资源的并发访问控制。
信号量由来
限流器
信号量的主要应用场景是控制最多 N 个线程同时地访问资源,其中计数器的最大值即是许可的最大值 N。
现在我们需要开发一个限流器,同一时刻最多有10个请求可以执行。对于这样的需求,我们实现的方案有:
- 使用Atomic类
- 使用Lock
- 使用条件变量
- 使用信号量
使用Atomic类实现
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("拒绝执行业务逻辑"); return; // 拒绝执行业务逻辑 } try { // 执行业务逻辑 System.out.println("执行业务逻辑"); } finally { COUNTER.incrementAndGet(); } } }
使用Lock实现
public class LimitByLock { private int count = 10; public void f() { if (count <= 0) { System.out.println("拒绝执行业务逻辑"); return; } synchronized (this) { if (count <= 0) { System.out.println("拒绝执行业务逻辑"); return; } count--; } try { // 执行业务逻辑 System.out.println("执行业务逻辑"); } finally { synchronized (this) { count++; } } } }
使用条件变量实现
对于使用Atomic类还是Lock这两种实现方式,都有一个缺点,如果10个线程同时执行,当第11个线程来执行的时候,会被拒绝掉,这样就没有执行业务逻辑的机会,造成请求丢失。
所以我们可以通过线程等待-通知机制来解决上面的问题。如果10个线程同时执行,当第11个线程来执行的时候,先阻塞这第11个线程,等待前面的10个线程只要执行完一个,就通知第11个线程来执行。
public class LimitByCondition { private int count = 10; public void f() throws Exception { synchronized (this) { while (count <= 0) { System.out.println("等待执行业务逻辑"); this.wait(); } count--; } try { System.out.println("执行业务逻辑"); } finally { synchronized (this) { count++; this.notifyAll(); } } } }
使用Semaphore实现
除了使用条件变量,java sdk中还可以使用Semaphore
来实现。
public class LimitBySemaphore { private final Semaphore semaphore = new Semaphore(10); public void f() throws Exception { semaphore.acquire(); try { System.out.println("执行业务逻辑"); } finally { semaphore.release(); } } }
接下来我们就来探讨一下Semaphore
的实现原理。
Semaphore实现原理
信号量模型
实际上Semaphore的实现原理非常简单,总结下来就是: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,所以只能通过信号量模型提供的三个方法访问,init(),down(),up()
--这些方法都是原子性的。
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。
class MySemaphore{ // 计数器 int count; // 等待队列 Queue queue; // 初始化操作 MySemaphore(int c){ this.count=c; } // void down(){ this.count--; if(this.count<0){ // 将当前线程插入等待队列 // 阻塞当前线程 } } void up(){ this.count++; if(this.count<=0) { // 移除等待队列中的某个线程 T // 唤醒线程 T } } }
使用方法如下:
static int count; // 初始化信号量 static final MySemaphore s = new MySemaphore(1); // 用信号量保证互斥 static void addOne() { s.down(); try { count+=1; } finally { s.up(); } }
实际上信号量模型,down()、up() 这两个操作历史上最早称为 P 操作和 V 操作,所以信号量模型也被称为 PV 原语。
Java Semaphore的实现
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的实现,acquire()
对应信号量模型里的down()
方法,release()
对应信号量模型里的up()
方法。
Semaphore类提供的常用方法有以下几个。我们可以粗略地将以下方法分为两组。前五个为一组,默认一次获取或释放的许可(permit)个数为1。后五个为一组,可以指定一次获取或释放的许可个数。对于每组方法来说,都有4个不同的获取许可的方法:可中断获取、不可中断获取、非阻塞获取、可超时获取,这跟Lock提供的各种加锁方法非常相似。
Java Semaphore的实现也是基于AQS来实现的,跟ReentrantLock一样,Semaphore中的AQS也有公平锁与非公平锁这两种实现。
public class Semaphore implements java.io.Serializable { abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { } // 非公平锁 static final class NonfairSync extends Sync { } // 公平锁 static final class FairSync extends Sync { } // 默认使用非公平锁 public Semaphore(int permits) { sync = new NonfairSync(permits); } public Semaphore(int permits, boolean fair) { sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits); } }
Semaphore可以看做是一种共享锁,因此,FairSync类和NofairSync类实现了AQS的tryAcquireShared()抽象方法,不过,实现逻辑并不相同。对于tryReleaseShared()抽象方法,因为在FairSync和NofairSync中的实现逻辑相同,因此,它被放置于FairSync和NofairSync的公共父类Sync中。
acquire()
实现如下:
// 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 { // 先判断线程有没有被中断 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 尝试获取共享锁,如果获取许可失败,返回值<0, 需要进入等待队列 if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireSharedInterruptibly(arg); // 排队等待队列 }
tryAcquireShared()
实现
// java.util.concurrent.Semaphore.FairSync#tryAcquireShared protected int tryAcquireShared(int acquires) { for (;;) { if (hasQueuedPredecessors()) // 比非公平锁多了这一行 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; } }
以上两个tryAcquireShared()
函数的代码实现基本相同。许可个数存放在AQS的state变量中,两个函数都是通过自旋+CAS的方式来获取许可。两个函数唯一的区别在于,对于公平模式下的Semaphore,当线程调用tryAcquireShared()函数时,如果等待队列中有等待许可的线程,那么,线程将直接去排队等待许可,而不是像非公平模式下的Semaphore那样,线程可以插队直接竞争许可。
release()
实现
// java.util.concurrent.Semaphore#release() public void release() { sync.releaseShared(1); } // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer#releaseShared public final boolean releaseShared(int arg) { // 尝试释放许可 if (tryReleaseShared(arg)) { // 唤醒等待队列其中一个线程 doReleaseShared(); return true; } return false; } // java.util.concurrent.Semaphore.Sync#tryReleaseShared protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { // 采用自旋 + CAS来更新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; } }
总结
semaphore其中一个功能是lock不容易实现的,那就是:semaphore可以允许多个线程访问同一个临界区。
比较常见的需求就是我们工作中遇到各种池化资源,例如连接池,对象池,线程池等等。其中,最熟悉的可能是数据库连接池,在同一时刻,一定是允许多个线程同时使用连接池的,当然,每个链接在被释放前,是不允许其他线程使用的。
对象池: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,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。
class ObjPool<T, R> { final List<T> pool; // 用信号量实现限流器 final Semaphore sem; // 构造函数 ObjPool(int size, T t){ pool = new Vector<T>(){}; for(int i=0; i<size; i++){ pool.add(t); } sem = new Semaphore(size); } // 利用对象池的对象,调用 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(); } } } // 创建对象池 ObjPool<Long, String> pool = new ObjPool<Long, String>(10, 2); // 通过对象池获取 t,之后执行 pool.exec(t -> { System.out.println(t); return t.toString(); });
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