【多线程】Semaphore：实现快速限流器

简介

Semaphore是信号量的意思，在编程的世界里，线程能否执行，要看信号量是不是允许。

信号量模型

信号量模型可以简单概括为：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的，所以只能通过信号量模型提供的三个方法来访问它们，这三个方法分别是：init()、down()、up()。我们可以通过一个图来形象化理解一下：

这三个方法详细的语义具体如下所示。

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或等于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。

这三个方法都是原子性的，并且这个原子性是由信号量模型的实现方保证的。我们看一下代码化的信号量模型：

class Semaphore{// 计数器int count;// 等待队列Queue queue;Semaphore(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}}
}

在Java SDK 并发包里，down() 和 up() 对应的是 acquire() 和 release()。

如何使用信号量

举个例子，我们生活中日常见到的红绿灯。十字路口的红绿灯可以控制交通，得益于它的一个关键规则：车辆在通过路口前必须先检查是否是绿灯，只有绿灯才能同行。

信号量的使用也是类似的。我们以一个累加器的例子来说明一下信号量的使用。在累加器的例子里面，count += 1 操作是个临界区，只允许一个线程执行，也就是说要保证互斥。那这种情况用信号量怎么控制呢？

很简单，就像我们用互斥锁一样，只需要在进入临界区之前执行一下 down() 操作，退出临界区之前执行一下 up() 操作就可以了。下面是Java代码示例，acquire() 就是信号量里面的 down() 操作，release() 就是信号量里的 up() 操作。

static int count;
// 初始化信号量
static final Semaphore s = new Semaphore(1);
// 用信号量保证互斥
static void addOne(){s.acquire();try(){count += 1;} finally {s.release();}
}

也许到现在你还是不太明白，信号量是如何保证互斥的。

假设两个线程T1 和T2 同时访问 addOne() 方法，当它们同时调用 acquire() 的时候，由于 acquire() 是一个原子操作，所以只能有一个线程（假设T1）把信号量里的计数器减为0，另一个线程（T2）则是将计数器减为-1。
对于线程T1，信号量里面的计数器的值是0，大于等于0，所以线程T1会继续执行；
对于线程T2，信号量里面的计数器的值是-1，小于0，按照信号量模型里对 down() 操作的描述，线程T2将被阻塞。
所以此时只有线程T1 会进入临界区执行 count +=1.

当线程T1执行 release() 操作，也就是 up() 操作的时候，信号量里计数器的值是-1，加1之后的值是0，小于等于0，按照信号量模型里对 up() 操作的描述，此时等待队列中的T2将会被保持唤醒。于是T2在T1执行完临界区代码之后才获得了进入临界区执行的机会，从而保证了互斥性。

快速实现一个限流器

上面的例子，我们用信号量实现了一个最简单的互斥锁功能。估计你会觉得奇怪,既然有 Java SDK 里面提供了 Lock, 为啥还要提供一个 Semaphore ? 其实实现一个互斥锁,仅仅是 Semaphore 的部分功能，Semaphore 还有一个功能是Lock不容易实现的，那就是: Semaphore 可以允许多个线程访问一个临界区。

现实中还有这种需求?有的。比较常见的需求就是我们遇到的各种池化资源，例如连接池、对象池、线程池等等。其中，我们可能最熟悉数据库连接池，在同一时刻，一定是允许多个线程同时使用连接池的，当然，每个连接在被释放前，是不允许其他线程使用的。

假设在工作中遇到了一个对象池的需求。所谓对象池指的是一次性创建出N个对象，之后所有的线程重复利用这N个对象，当然对象在被释放前，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,这个很简单。但关键是限流器的设计,这里的限流，指的是不允许多于N个线程同时进入临界区。那如何快速实现一个这样的限流器呢?这种场景，信号量就是很好的解决方案。

信号量的计数器，在上面的例子中，我们设置成了1, 这个 1 表示只允许一个线程进入临界区，但如果我们把计数器的值设置成对象池里对象的个数N,就能完美解决对象池的限流问题了。下面就是对象池的示例代码。

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 funcR 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();
});

我们用一一个List来保存对象实例，用 Semaphore 实现限流器。关键的代码是 ObjPool 里面的 exec() 方法,这个方法里面实现了限流的功能。在这个方法里面，我们首先调用 acquire() 方法(与之匹配的是在 finally 里面调用 release() 方法)，假设对象池的大小是10，信号量的计数器初始化为10,那么前10个线程调用 acquire() 方法,都能继续执行，相当于通过了信号灯，而其他线程则会阻塞在 acquire() 方法上。对于通过信号灯的线程，我们为每个线程分配了-一个对象t (这个分配工作是通过 pool.remove(0) 实现的)，分配完之后会执行一一个回调函数func,而函数的参数正是前面分配的对象t ;执行完回调函数之后，它们就会释放对象(这个释放工作是通过 pool.add(t) 实现的)，同时调用 release() 方法来更新信号量的计数器。如果此时信号量里计数器的值小于等于0,那么说明有线程在等待，此时会自动唤醒等待的线程。

简言之，使用信号量,我们可以轻松地实现一个限流器，使用起来还是非常简单的。