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(3月1日)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最多只能处理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。

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

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，具体bug号可以看https://github.com/apache/dubbo/pull/582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。图片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

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已经有了100个请求，则后面900ms将无法处理请求，这就是突刺现象。

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