Java 并发专题:Semaphore 实现 互斥 与 连接池

Semaphore,位于java.util.concurrent包下面

• Semaphore中管理着一组虚拟的许可，许可的初始数量可通过构造函数来指定new Semaphore(1);，执行操作时可以首先获得许可semaphore.acquire();，并在使用后释放许可semaphore.release();。如果没有许可，那么acquire方法将会一直阻塞直到有许可（或者直到被终端或者操作超时）。
• Semaphore是一种在多线程环境下使用的设施，该设施负责协调各个线程，以保证它们能够正确、合理的使用公共资源的设施，也是操作系统中用于控制进程同步互斥的量。
• Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得。
  作用：可以用来控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者某个操作的数量。

下面使用Semaphore实现两个例子：

1. 互斥
   大家都学过操作系统，都知道互斥的概念，比较简单的互斥实现，比如PV操作，判断资源，然后忙等实现互斥；上一篇也说过，忙等对CPU的消耗巨大，下面我们通过Semaphore来实现一个比较好的互斥操作：
   假设我们公司只有一台打印机，我们需要对这台打印机的打印操作进行互斥控制：
   首先是没有使用Semaphore来实现互斥操作

public class Test {
    public void print(String str) throws InterruptedException {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备完成，开始打印...");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印..."+str);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印完成，退出程序 ...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test t = new Test();
        
        for(int i = 0; i < 10 ; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        t.print("hello");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

运行结果：

没有Semaphore

从结果可以看出，一个Thread还没有打印完成，退出程序，别的Thread就进入开始打印了，这样必然没有按照正确的流程来打印。

使用Semaphore来控制互斥访问数

import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
 * 使用Semphore实现互斥访问打印机
 * @author ghw
 *
 */
public class Test {
    //定义初始值为1的信号量 
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
    //模拟打印机打印操作
    public void print(String str) throws InterruptedException {
        //请求许可
        semaphore.acquire();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备完成，开始打印...");
        //模拟打印时间
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在打印..."+str);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打印完成，退出程序 ...");
        //释放许可
        semaphore.release();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test t = new Test();
        //开启10个线程执行打印任务
        for(int i = 0; i < 10 ; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        t.print("hello");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.start();
        }
    }
}

运行结果：

使用Semphore

从结果可以看出，多个线程虽然是无序执行的，但每个线程执行完成后退出程序才开始执行下一个线程，这样就不会乱。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class ConnectPool {
    
    private final List<Conn> pool = new ArrayList<Conn>(3);  
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    
    public ConnectPool() {
        pool.add(new Conn());
        pool.add(new Conn());
        pool.add(new Conn());
    }
    
    public Conn getConn() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();  
        Conn c = null  ;  
        synchronized (pool)  
        {  
            c = pool.remove(0);  
        }  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 获得一个连接 " + c);  
        return c ;  
    }
    
    public void release(Conn c) {
        pool.add(c);  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 释放了一个连接 " + c);  
        semaphore.release();  
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ConnectPool pool = new ConnectPool();
        
        new Thread() {
            public void run() {
                try {
                    Conn c = pool.getConn();
                    Thread.sleep(3000);
                    pool.release(c);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            };
        }.start();
        
        for(int i=0;i<5;i++) {
             new Thread() {
                public void run() {
                    try {
                        Conn c = pool.getConn();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                };
                
             }.start();
        }
    }
}

运行结果：

运行结果3

先让Thread-0持有一个连接3秒，然后瞬间让3个线程再去请求分配连接，造成Thread-3一直等到Thread-0对连接的释放，然后获得连接。

通过两个例子，基本已经了解了Semaphore的用法，这里的线程池例子只是为了说明Semaphore的用法，真实的实现代码比这复杂的多，而且可能也不会直接用Semaphore。