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大白话说java并发工具类-Semaphore,Exchanger

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1. 控制资源并发访问--Semaphore

Semaphore 可以理解为信号量,用于控制资源能够被并发访问的线程数量,以保证多个线程能够合理的使用特定资源。Semaphore 就相当于一个许可证,线程需要先通过 acquire 方法获取该许可证,该线程才能继续往下执行,否则只能在该方法出阻塞等待。当执行完业务功能后,需要通过release()方法将许可证归还,以便其他线程能够获得许可证继续执行。

Semaphore 可以用于做流量控制,特别是公共资源有限的应用场景,比如数据库连接。假如有多个线程读取数据后,需要将数据保存在数据库中,而可用的最大数据库连接只有 10 个,这时候就需要使用 Semaphore 来控制能够并发访问到数据库连接资源的线程个数最多只有 10 个。在限制资源使用的应用场景下,Semaphore 是特别合适的。

下面来看下 Semaphore 的主要方法:

//获取许可,如果无法获取到,则阻塞等待直至能够获取为止
void acquire() throws InterruptedException
//同acquire方法功能基本一样,只不过该方法可以一次获取多个许可
void acquire(int permits) throws InterruptedException
//释放许可
void release()
//释放指定个数的许可
void release(int permits)
//尝试获取许可,如果能够获取成功则立即返回true,否则,则返回false
boolean tryAcquire()
//与tryAcquire方法一致,只不过这里可以指定获取多个许可
boolean tryAcquire(int permits)
//尝试获取许可,如果能够立即获取到或者在指定时间内能够获取到,则返回true,否则返回false
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException
//与上一个方法一致,只不过这里能够获取多个许可
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boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)

//返回当前可用的许可证个数
int availablePermits()
//返回正在等待获取许可证的线程数
int getQueueLength()
//是否有线程正在等待获取许可证
boolean hasQueuedThreads()
//获取所有正在等待许可的线程集合
Collection<Thread> getQueuedThreads()
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另外,在 Semaphore 的构造方法中还支持指定是够具有公平性,默认的是非公平性,这样也是为了保证吞吐量。

一个例子

下面用一个简单的例子来说明 Semaphore 的具体使用。我们来模拟这样一样场景。有一天,班主任需要班上 10 个同学到讲台上来填写一个表格,但是老师只准备了 5 支笔,因此,只能保证同时只有 5 个同学能够拿到笔并填写表格,没有获取到笔的同学只能够等前面的同学用完之后,才能拿到笔去填写表格。该示例代码如下:

public class SemaphoreDemo {
//表示老师只有10支笔
private static Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

public static void main(String[] args) {

    //表示50个学生
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
    for (int i = 0; i &lt; 10; i++) {
        service.execute(() -&gt; {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  同学准备获取笔......");
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  同学获取到笔");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  填写表格ing.....");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                semaphore.release();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  填写完表格,归还了笔!!!!!!");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
    service.shutdown();
}
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} 输出结果:

pool-1-thread-1 同学准备获取笔...... pool-1-thread-1 同学获取到笔 pool-1-thread-1 填写表格ing..... pool-1-thread-2 同学准备获取笔...... pool-1-thread-2 同学获取到笔 pool-1-thread-2 填写表格ing..... pool-1-thread-3 同学准备获取笔...... pool-1-thread-4 同学准备获取笔...... pool-1-thread-3 同学获取到笔 pool-1-thread-4 同学获取到笔 pool-1-thread-4 填写表格ing..... pool-1-thread-3 填写表格ing..... pool-1-thread-5 同学准备获取笔...... pool-1-thread-5 同学获取到笔 pool-1-thread-5 填写表格ing.....

pool-1-thread-6 同学准备获取笔...... pool-1-thread-7 同学准备获取笔...... pool-1-thread-8 同学准备获取笔...... pool-1-thread-9 同学准备获取笔...... pool-1-thread-10 同学准备获取笔......

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pool-1-thread-4 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-9 同学获取到笔 pool-1-thread-9 填写表格ing..... pool-1-thread-5 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-7 同学获取到笔 pool-1-thread-7 填写表格ing..... pool-1-thread-8 同学获取到笔 pool-1-thread-8 填写表格ing..... pool-1-thread-1 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-6 同学获取到笔 pool-1-thread-6 填写表格ing..... pool-1-thread-3 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-2 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-10 同学获取到笔 pool-1-thread-10 填写表格ing..... pool-1-thread-7 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-9 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-8 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-6 填写完表格,归还了笔!!!!!! pool-1-thread-10 填写完表格,归还了笔!!!!!!

根据输出结果进行分析,Semaphore 允许的最大许可数为 5,也就是允许的最大并发执行的线程个数为 5,可以看出,前 5 个线程(前 5 个学生)先获取到笔,然后填写表格,而 6-10 这 5 个线程,由于获取不到许可,只能阻塞等待。当线程pool-1-thread-4释放了许可之后,pool-1-thread-9就可以获取到许可,继续往下执行。对其他线程的执行过程,也是同样的道理。从这个例子就可以看出,Semaphore 用来做特殊资源的并发访问控制是相当合适的,如果有业务场景需要进行流量控制,可以优先考虑 Semaphore。

2.线程间交换数据的工具--Exchanger

Exchanger 是一个用于线程间协作的工具类,用于两个线程间能够交换。它提供了一个交换的同步点,在这个同步点两个线程能够交换数据。具体交换数据是通过 exchange 方法来实现的,如果一个线程先执行 exchange 方法,那么它会同步等待另一个线程也执行 exchange 方法,这个时候两个线程就都达到了同步点,两个线程就可以交换数据。

Exchanger 除了一个无参的构造方法外,主要方法也很简单:

//当一个线程执行该方法的时候,会等待另一个线程也执行该方法,因此两个线程就都达到了同步点
//将数据交换给另一个线程,同时返回获取的数据
V exchange(V x) throws InterruptedException
//同上一个方法功能基本一样,只不过这个方法同步等待的时候,增加了超时时间
V exchange(V x, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException
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一个例子

Exchanger 理解起来很容易,这里用一个简单的例子来看下它的具体使用。我们来模拟这样一个情景,在青春洋溢的中学时代,下课期间,男生经常会给走廊里为自己喜欢的女孩子送情书,相信大家都做过这样的事情吧 :)。男孩会先到女孩教室门口,然后等女孩出来,教室那里就是一个同步点,然后彼此交换信物,也就是彼此交换了数据。现在,就来模拟这个情景。

public class ExchangerDemo {
    private static Exchanger<String> exchanger = new Exchanger();
public static void main(String[] args) {

    //代表男生和女生
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);

    service.execute(() -&gt; {
        try {
            //男生对女生说的话
            String girl = exchanger.exchange("我其实暗恋你很久了......");
            System.out.println("女孩儿说:" + girl);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    service.execute(() -&gt; {
        try {
            System.out.println("女生慢慢的从教室你走出来......");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            //男生对女生说的话
            String boy = exchanger.exchange("我也很喜欢你......");
            System.out.println("男孩儿说:" + boy);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });

}
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}

输出结果:

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女生慢慢的从教室你走出来...... 男孩儿说:我其实暗恋你很久了...... 女孩儿说:我也很喜欢你......

这个例子很简单,也很能说明 Exchanger 的基本使用。当两个线程都到达调用 exchange 方法的同步点的时候,两个线程就能交换彼此的数据。

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