java多線程系列：Semaphore和Exchanger

本篇文章將介紹Semaphore和Exchanger這兩個併發工具類。

Semaphore

信號量（英語：Semaphore）又稱爲信號標，是一個同步對象，用於保持在0至指定最大值之間的一個計數值。當線程完成一次對該semaphore對象的等待（wait）時，該計數值減一；當線程完成一次對semaphore對象的釋放（release）時，計數值加一。當計數值爲0，則線程等待該semaphore對象再也不能成功直至該semaphore對象變成signaled狀態。semaphore對象的計數值大於0，爲signaled狀態；計數值等於0，爲nonsignaled狀態.

semaphore對象適用於控制一個僅支持有限個用戶的共享資源，是一種不須要使用忙碌等待（busy waiting）的方法。 ----取自維基百科

Semaphore思想在分佈式中也有應用，分佈式限流就是典型的案例。如今舉個小例子來使用Semaphore

案例

在等公交時，遇到人多的時候常常須要排隊或者擠進去。

解決方案

利用Semaphore初始化5個許可，每次只能有5個玩家進入，當有玩家退出時，其餘玩家才能進入。

先介紹下Semaphore的構造函數和一些方法吧。

Semaphore構造函數

public Semaphore(int permits)；
public Semaphore(int permits, boolean fair)；

第一個參數permits表示初始化的許可數量，第二個參數表示是不是公平的。

使用Semaphore(int permits)構造函數時，默認使用非公平的

Semaphore經常使用方法

public void acquire()；
public void release()；

acquire方法取得許可，release方法表示釋放許可。

注：若是屢次調用release方法，會增長許可。例如，初始化許可爲0，這時調用了兩個release方法，Semaphore的許可便會變成2

這兩個是最經常使用的方法，其餘的還有acquire相關的方法tryAcquire和acquireUninterruptibly這裏就不介紹了。

代碼

玩家類

定義一個實現Runnable接口的玩家類

public class Player implements Runnable{

    private String playerName;
    private Semaphore semaphore;

    public Player(String playerName, Semaphore semaphore) {
        this.playerName = playerName;
        this.semaphore = semaphore;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            semaphore.acquire();

            System.out.println(playerName+"進入，時間:"+LocalTime.now());
            Thread.sleep((long) (3000 * Math.random()));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(playerName+"退出");
            semaphore.release();
        }
    }
}

經過構造函數Player傳入玩家名稱和Semaphore對象，run方法中先調用acquire方法取得許可，而後睡眠隨機時間，最後在finally中調用release方法釋放許可。

測試類

先來使用非公平的看看效果，使用非公平的就比如平時的擠公交，誰先在車門口誰先進。以下圖（來源於網絡）

如今來看看測試代碼

public static void main(String[] args) throws IOException {
    Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
    //Semaphore semaphore = new Semaphore(5,true);

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
    //模擬100個玩家排隊
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        service.submit(new Player("玩家"+i,semaphore));
    }
    //關閉線程池
    service.shutdown();

    //判斷線程池是否中斷，沒有則循環查看當前排隊總人數
    while (!service.isTerminated()){
        System.out.println("當前排隊總人數:"+semaphore.getQueueLength());
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

若是要切換成公平方式只需將上面初始化Semaphore改成下面的代碼便可

Semaphore semaphore = new Semaphore(5,true);

Exchanger

Exchanger主要用於線程間的數據交換。 它提供了一個同步點，在這個同步點，兩個線程能夠交換數據。

這裏寫了個兩個線程互相交換數據的簡單例子，下面ExchangerRunnable在run方法中調用exchange方法將本身的數據傳過去。

public class ExchangerRunnable implements Runnable {
    private Object data;
    private String name;
    private Exchanger exchanger;

    public ExchangerRunnable(String name, Exchanger exchanger, Object data) {
        this.exchanger = exchanger;
        this.name = name;
        this.data = data;
    }

    public void run() {
        try {
            Object previous = this.data;

            this.data = this.exchanger.exchange(previous);

            System.out.println("名稱:" + name + " 以前數據：" + previous + " ,交換以後數據：" + this.data);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

接下來看看測試代碼

public class Case {

    private static final Exchanger exchanger = new Exchanger();

    private static ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) {

        service.submit(new ExchangerRunnable("1", exchanger, "A"));
        service.submit(new ExchangerRunnable("2", exchanger, "B"));

        service.shutdown();

    }
}

定義了只包含兩個線程的線程池，而後建立提交兩個ExchangerRunnable的類

1. 線程名稱爲1的原始數據時A
2. 線程名稱爲2的原始數據時B

運行測試代碼，會獲得以下結果

名稱:2 以前數據：B ,交換以後數據：A
名稱:1 以前數據：A ,交換以後數據：B

案例源代碼地址：https://github.com/rainbowda/learnWay/tree/master/learnConcurrency/src/main/java/com/learnConcurrency/utils

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