java多线程系列：Semaphore和Exchanger

本篇文章将介绍Semaphore和Exchanger这两个并发工具类。

Semaphore

信号量（英语：Semaphore）又称为信号标，是一个同步对象，用于保持在0至指定最大值之间的一个计数值。当线程完成一次对该semaphore对象的等待（wait）时，该计数值减一；当线程完成一次对semaphore对象的释放（release）时，计数值加一。当计数值为0，则线程等待该semaphore对象不再能成功直至该semaphore对象变成signaled状态。semaphore对象的计数值大于0，为signaled状态；计数值等于0，为nonsignaled状态.

semaphore对象适用于控制一个仅支持有限个用户的共享资源，是一种不需要使用忙碌等待（busy waiting）的方法。 ----取自维基百科

Semaphore思想在分布式中也有应用，分布式限流就是典型的案例。现在举个小例子来使用Semaphore

案例

在等公交时，遇到人多的时候经常需要排队或者挤进去。

解决方案

利用Semaphore初始化5个许可，每次只能有5个玩家进入，当有玩家退出时，其他玩家才能进入。

先介绍下Semaphore的构造函数和一些方法吧。

Semaphore构造函数

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

第一个参数permits表示初始化的许可数量，第二个参数表示是否是公平的。

使用Semaphore(int permits)构造函数时，默认使用非公平的

Semaphore常用方法

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

acquire方法取得许可，release方法表示释放许可。

注：如果多次调用release方法，会增加许可。例如，初始化许可为0，这时调用了两个release方法，Semaphore的许可便会变成2

这两个是最常用的方法，其他的还有acquire相关的方法tryAcquire和acquireUninterruptibly这里就不介绍了。

代码

玩家类

定义一个实现Runnable接口的玩家类

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

通过构造函数Player传入玩家名称和Semaphore对象，run方法中先调用acquire方法取得许可，然后睡眠随机时间，最后在finally中调用release方法释放许可。

测试类

先来使用非公平的看看效果，使用非公平的就好比平时的挤公交，谁先在车门口谁先进。如下图（来源于网络）

现在来看看测试代码

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

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
    //模拟100个玩家排队
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        service.submit(new Player("玩家"+i,semaphore));
    }
    //关闭线程池
    service.shutdown();

    //判断线程池是否中断，没有则循环查看当前排队总人数
    while (!service.isTerminated()){
        System.out.println("当前排队总人数:"+semaphore.getQueueLength());
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

如果要切换成公平方式只需将上面初始化Semaphore改为下面的代码即可

Semaphore semaphore = new Semaphore(5,true);

Exchanger

Exchanger主要用于线程间的数据交换。 它提供了一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换数据。

这里写了个两个线程互相交换数据的简单例子，下面ExchangerRunnable在run方法中调用exchange方法将自己的数据传过去。

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("名称:" + name + " 之前数据：" + previous + " ,交换之后数据：" + this.data);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

接下来看看测试代码

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();

    }
}

定义了只包含两个线程的线程池，然后创建提交两个ExchangerRunnable的类

1. 线程名称为1的原始数据时A
2. 线程名称为2的原始数据时B

运行测试代码，会得到如下结果

名称:2 之前数据：B ,交换之后数据：A
名称:1 之前数据：A ,交换之后数据：B

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

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