Java Semaphore实现高并发场景下的流量控制(附源码) | 实用代码架构

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
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前言

Semaphore介绍

代码演示

总结


前言

在java开发的工作中是否会出现这样的场景,你需要实现一些异步运行的任务,该任务可能存在消耗大量内存的情况,所以需要对任务进行并发控制。如何优雅的实现并发控制呢?下面我会给大家介绍一个类——Semaphore,能很优雅的实现并发控制,继续往下看吧。

Semaphore介绍

首先我们看一下Semaphore类的构造函数是如何实现的。

    public Semaphore(int permits, boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

我们可以看到有两个参数,分别对应的是信号量的许可次数以及是否为公平锁,其中关于锁的概念可以参考我的这篇文章:Java 独占锁与共享锁、公平锁与非公平锁、可重入锁_阿良的博客-CSDN博客

我们看一下主要使用到的方法——tryAcquire,尝试申请锁,看一下该方法有几个实现。

    public boolean tryAcquire() {
        return sync.nonfairTryAcquireShared(1) >= 0;
    }
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
    }
    public boolean tryAcquire(int permits) {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        return sync.nonfairTryAcquireShared(permits) >= 0;
    }
    public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
        if (permits < 0) throw new IllegalArgumentException();
        return sync.tryAcquireSharedNanos(permits, unit.toNanos(timeout));
    }

我们需要注意的是,Semaphore是一个可重入的共享锁,所以除了可以增加申请锁的超时时间外,还可以设置申请的许可证数量。一般在业务场景中申请1次就可以了。

Semaphore还提供了阻塞的申请方式,一旦执行就会一直阻塞直到申请到锁,就是acquire方法。有兴趣的话,可以看看,也基本上支持多种参数实现。

代码演示

下面看一下我写的demo代码,演示一下Semaphore的限流效果。

先添加一些maven依赖

        <dependency>
            <groupId>cn.hutool</groupId>
            <artifactId>hutool-all</artifactId>
            <version>5.7.15</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>

示例代码

package com.huyi.csdn.tools;

import cn.hutool.core.thread.ThreadUtil;
import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.scheduling.concurrent.CustomizableThreadFactory;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * @Program: csdn @ClassName: SemaphoreDemo @Author: 剑客阿良_ALiang @Date: 2021-12-18
 * 10:03 @Description: @Version: V1.0
 */
@Slf4j
public class SemaphoreDemo {
  private static final Semaphore SEMAPHORE = new Semaphore(3, true);
  private static final ExecutorService POOL =
      Executors.newFixedThreadPool(10, new CustomizableThreadFactory("TASK-"));
  private static final ScheduledExecutorService ENGINE_POOL =
      Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(new CustomizableThreadFactory("ENGINE-"));
  public static LinkedBlockingQueue<Task> taskQueue;
  public static AtomicInteger codeBuilder;

  @Data
  @Builder
  public static class Task {
    private Integer code;
    private Runnable work;
  }

  public static void init() {
    taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
    codeBuilder = new AtomicInteger(0);
    log.info(">>> 任务队列初始化");
    log.info(">>> 任务引擎启动");
    engineOn();
  }

  private static void engineOn() {
    ENGINE_POOL.scheduleAtFixedRate(
        () -> {
          if (taskQueue.isEmpty()) {
            log.info("队列为空,无任务需要执行");
          } else {
            if (SEMAPHORE.tryAcquire()) {
              try {
                Task task = taskQueue.poll();
                log.info("code:{} 任务获得执行许可", task.getCode());
                POOL.submit(task.getWork());
                log.info("code:{} 任务提交执行", task.getCode());
              } catch (Exception exception) {
                exception.printStackTrace();
              }
            } else {
              log.info("执行任务数量已经达到限制,无法执行任务");
            }
          }
        },
        0,
        1,
        TimeUnit.SECONDS);
  }

  public static void addTask(Runnable runnable) {
    Integer code = codeBuilder.incrementAndGet();
    Task task =
        Task.builder()
            .code(code)
            .work(
                () -> {
                  try {
                    runnable.run();
                  } catch (Exception exception) {
                    exception.printStackTrace();
                  } finally {
                    log.info("code:{}-结束任务", code);
                    SEMAPHORE.release();
                  }
                })
            .build();
    taskQueue.add(task);
  }

  public static void main(String[] args) {
    SemaphoreDemo.init();
    Random random = new Random();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      SemaphoreDemo.addTask(
          () -> {
            IntStream.range(1, random.nextInt(10) + 1)
                .forEach(
                    a -> {
                      log.info("第{}次进攻敌方基地", a);
                      ThreadUtil.sleep(1000);
                    });
            log.info("进攻结束");
          });
    }
  }
}

代码说明:

1、先添加了两个静态的线程池,一个为给引擎工作的定时线程池,一个为给异步任务提供的任务线程池。

2、在初始化的时候会提前创建好任务队列,这里使用的是LinkedBlockingQueue。

3、初始化之后,可以引擎会定时尝试获取Semaphore的许可证,如果可以拿到则将任务提交给线程池执行。

4、在构建任务的时候,会将需要执行的内容重新包装,保证任务执行结束的时候会主动释放Semaphore的许可证。

5、main方法主要是在10秒内提交10个不定时完成的任务,我们可以看看是否限制了异步任务的数量。

验证一下,看看执行结果

E:\Java\jdk1.8.0_40\bin\java.exe "-javaagent:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\lib\idea_rt.jar=3927:E:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2020.1.1\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath 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com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo
17:23:20.516 [main] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - >>> 任务队列初始化
17:23:20.519 [main] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - >>> 任务引擎启动
17:23:20.559 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:21.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1 任务获得执行许可
17:23:21.575 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1 任务提交执行
17:23:21.577 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:22.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2 任务获得执行许可
17:23:22.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2 任务提交执行
17:23:22.568 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:22.584 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:23.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3 任务获得执行许可
17:23:23.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3 任务提交执行
17:23:23.561 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:23.576 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:23.592 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:24.571 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:24.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:24.587 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:24.602 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:25.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:25.581 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:25.596 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:25.611 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地
17:23:26.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:26.584 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:26.600 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地
17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:26.615 [TASK-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:1-结束任务
17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任务获得执行许可
17:23:27.573 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4 任务提交执行
17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:27.574 [TASK-4] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:4-结束任务
17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:27.589 [TASK-3] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:3-结束任务
17:23:27.605 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次进攻敌方基地
17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任务获得执行许可
17:23:28.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5 任务提交执行
17:23:28.571 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:28.618 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次进攻敌方基地
17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任务获得执行许可
17:23:29.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6 任务提交执行
17:23:29.565 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:29.581 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:29.628 [TASK-2] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:2-结束任务
17:23:30.571 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任务获得执行许可
17:23:30.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7 任务提交执行
17:23:30.571 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:30.586 [TASK-5] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:5-结束任务
17:23:31.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8 任务获得执行许可
17:23:31.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8 任务提交执行
17:23:31.561 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:31.577 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:31.577 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:32.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:32.572 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第2次进攻敌方基地
17:23:32.587 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:32.587 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:33.564 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:33.581 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第3次进攻敌方基地
17:23:33.596 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:33.596 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地
17:23:34.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 执行任务数量已经达到限制,无法执行任务
17:23:34.592 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第4次进攻敌方基地
17:23:34.607 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第5次进攻敌方基地
17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:34.607 [TASK-6] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:6-结束任务
17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任务获得执行许可
17:23:35.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9 任务提交执行
17:23:35.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:35.602 [TASK-8] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:8-结束任务
17:23:35.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第6次进攻敌方基地
17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任务获得执行许可
17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:36.571 [TASK-9] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:9-结束任务
17:23:36.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10 任务提交执行
17:23:36.571 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第1次进攻敌方基地
17:23:36.617 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第7次进攻敌方基地
17:23:37.564 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:37.579 [TASK-10] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:10-结束任务
17:23:37.626 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 第8次进攻敌方基地
17:23:38.568 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 进攻结束
17:23:38.630 [TASK-7] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - code:7-结束任务
17:23:39.565 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:40.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:41.567 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:42.562 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:43.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:44.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:45.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:46.563 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:47.571 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:48.561 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:49.572 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行
17:23:50.570 [ENGINE-1] INFO com.huyi.csdn.tools.SemaphoreDemo - 队列为空,无任务需要执行

Process finished with exit code -1

可以看出,始终只有3个任务在执行任务。

总结

最近开始尝试做做视频发布到B站,就不求关注了,随缘吧。

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        如果结果不如你所愿    就在尘埃落定前奋力一搏。——《夏目友人帐》

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Java Semaphore实现高并发场景下的流量控制(附源码) | 实用代码架构

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