Java執行緒--Semaphore訊號量
Semaphore訊號量
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Semaphore是計數訊號量。Semaphore可管理1個或多個許可證。
- acquire()方法嘗試獲取一個許可證，如果沒有獲得到，當前執行緒阻塞，直至其它執行緒的release()方法釋放出來一個許可證；
- release()方法釋放出來一個許可證；
Semaphore含義：有多少許可證，就能同時允許多少執行緒並行。這要看當前機器CPU的最大執行緒支援數N（理論上來說，程式上給與設定的最佳併發執行緒數為N+1）。訊號量主要用於兩個目的：一個是用於多個共享資源的互斥使用，另一個用於併發執行緒數的控制。下面舉例說明業務場景。
示例1：生產者消費者----產1消1模式
產1消1：業務說明
- 業務初始情況：
原料若干，生產者1人，消費者1人，加工房1間（共享資源）。
- 業務達到效果：
生產者每加工出來一個原料，則消費者立馬取走消費。
- 業務注意事項：
生產者和消費者不用共用一個訊號指示燈，原因是由於併發性，有可能生產者總是能獲得到許可證，瘋狂的生產導致生產過剩，消費飢餓現象；也有可能消費者總是能獲得到許可證，瘋狂的消費導致消費過剩(其實啥都沒消費到，因為還沒生產呢)，生產飢餓現象；所以，生產者/消費者的併發問題，我們在此啟用一個生產訊號指示燈，一個消費訊號指示燈。生產者獲得可生產的指示燈後，進行生產直至生產完畢，然後點亮消費訊號指示燈使消費者具備資格進行消費。消費者獲得可消費的指示燈後，進行消費直至消費完畢，然後點亮生產訊號指示燈使生產者具備資格進行生產。
系統初始時，加工房共享資源是空閒著的，有硬性要求必須要先進行生產，然後才能消費。
- 業務實現圖示：
- 業務示例程式碼：
/** * Thread執行緒：程式碼結構的一般寫法 * 業務類：包含共享資源以及共享資源的訪問方法 * 任務：實現Runnable，一個任務代表一個業務類需要併發執行的業務方法 //業務類 class MyClass{ private int n; //共享資源 public void set(int n){ this.n = n; } public int get(){ return n; } } //任務 class MyTask implements Runnable{ private Semaphore sem ;//同步器|鎖 private MyClass myObj; //業務類物件 public MyTask(MyClass myObj, Semaphore sem){ this.sem = sem; this.myObj = myObj; } public void run(){ sem.acquire(); //獲得鎖 myObj.yyyMethod(); //臨界區：業務程式碼 sem.release(); //釋放鎖 } } */ import java.util.concurrent.*; import java.util.concurrent.locks.*; import java.util.concurrent.atomic.*; /** 業務類 */ class MyClass{ private int n; public void set(int n){ this.n = n; System.out.println("生產set:"+n+"累了睡1秒"); } public int get(){ System.out.println("消費get:"+n); return n ; } } /** 任務：生產 */ class ProduceTask implements Runnable{ private Semaphore semP ;//生產指示燈,同步器|鎖 private Semaphore semC ;//消費指示燈,同步器|鎖 private MyClass myObj; //業務類物件 public ProduceTask(MyClass myObj, Semaphore semP, Semaphore semC){ this.semP = semP; this.semC = semC; this.myObj = myObj; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ try{ semP.acquire(); //獲得生產訊號 myObj.set(i); //臨界區：業務程式碼,進行生產 Thread.sleep(1000); //睡眠1秒,釋放cpu,但沒給出消費訊號,所以消費無法進行 semC.release(); //釋放消費訊號 } catch(InterruptedException e){ } } } } /** 任務：消費 */ class ConsumeTask implements Runnable{ private Semaphore semP ; //生產指示燈,同步器|鎖 private Semaphore semC ; //消費指示燈,同步器|鎖 private MyClass myObj ; //業務類物件 public ConsumeTask(MyClass myObj, Semaphore semP, Semaphore semC){ this.semP = semP; this.semC = semC; this.myObj = myObj; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ try{ semC.acquire(); //獲得消費訊號 myObj.get(); //臨界區：業務程式碼,進行消費 semP.release(); //釋放生產訊號 } catch(InterruptedException e){ } } } } /** **測試** */ public class TestOnePsemOneCsem{ public static void main(String[] args){ Semaphore semP = new Semaphore(1); //生產指示燈初始時有1個許可證,同步器|鎖 Semaphore semC = new Semaphore(0); //消費指示燈初始時有0個許可證,同步器|鎖 MyClass myObj = new MyClass(); //業務類物件 ConsumeTask cTask = new ConsumeTask(myObj, semP, semC); //生產任務 ProduceTask pTask = new ProduceTask(myObj, semP, semC); //消費任務 Thread cThread = new Thread(cTask,"consumeThread"); Thread pThread = new Thread(pTask,"produceThread"); cThread.start(); pThread.start(); } }
執行產1消1示例程式碼，列印如下：
生產set:0累了睡1秒
消費get:0
生產set:1累了睡1秒
消費get:1
生產set:2累了睡1秒
消費get:2
生產set:3累了睡1秒
消費get:3
生產set:4累了睡1秒
消費get:4
示例2：多訊號指示燈----停車場
停車場：業務說明
- 業務初始情況：
訊號指示燈若干（表徵當前車場內還有多少空車位），車場內有空車位若干（共享資源）
車輛若干想進入車場
車輛離開車場
- 業務達到效果：
有多少個停車訊號指示燈，就允許同時多少量車進入車場。車輛進入車場後，依據導向線，別多輛車都停到了同一個空的車位上。
- 業務注意事項：
車場外有很多車輛想停入車場（也即：多執行緒），車場內的空車位是有限的。需要達到的效果為：有多少空車位（N個），就有多少個可入車場的訊號指示燈亮（N>=1），同時允許N輛車入場，但需要強制控制每輛車只能聽到空車位上，不能多輛車都往一個空車位停，所以需要每個車位都是互斥的共享資源。總結下來就是：訊號指示燈指示能同時停多少輛車，車具體停時，要保證空車位共享資源的互斥訪問。
- 業務實現圖示：
- 業務示例程式碼：
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;
/**
* 車位
*/
class Park
{
private int num; //車位號
private boolean flag; //車位可用標誌
public Park(int num, boolean flag){
this.num = num;
this.flag = flag;
}
public Park(){}
public void setNum(int num){
this.num = num;
}
public int getNum(){
return this.num;
}
public void setFlag(boolean flag){
this.flag = flag;
}
public boolean getFlag(){
return this.flag;
}
@Override
public String toString() {
String s = flag?"空":"被佔用";
return "Park{num=" + num + " : "+s+"}";
}
}
/**
* 停車場：每一個車位都是共享資源,若干個車位組合在一起構成停車場.獲取車位時,需要加持鎖來互斥獲取.
*/
class ParkGround
{
public ParkGround(int i){
parks = new Park[i];
for(int j=0;j<i;j++){
parks[j] = new Park(j+1,true);
}
}
//資源：若干車位
private Park[] parks;
//鎖：每個車位都是互斥共享資源，防止多輛車停到同一個車位上（注意：資源是車位,不是停車場）
private Lock locker = new ReentrantLock();
//獲取一個空車位
public Park obtainPark(){
Park park = null;
//獲得鎖
locker.lock();
//臨界區:共享資源
for (int i = 0 ; i < parks.length ; i++) {
if ( parks[i].getFlag() ) {
parks[i].setFlag(false);
park = parks[i];
break;
}
}
//釋放鎖
locker.unlock();
return park;
}
//釋放一個車位
public void releasePark(Park park){
if( null!=park && !park.getFlag() ){
park.setFlag(true);
String tName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println( tName+"釋放Park:num=" + park.getNum() );
}
}
}
/**
*【車場工作場景】
*
* 任務：從車場獲得空車位,隨機停一段時間後,然後離開車場
*/
class GroundWorkTask implements Runnable
{
private ParkGround g;
private Semaphore sem;
public GroundWorkTask(ParkGround g,Semaphore sem){
this.g = g ;
this.sem = sem ;
}
public void run(){
Park park = null;
try {
/**
*獲得訊號：嘗試獲取停車場有空車位的訊號
*/
sem.acquire();
/**
* 臨界區：1獲得空車位,2隨機停段時間,3離開
*/
//臨界區：1獲得空車位（停車場的訊號僅表示可入車場,空車位具體在哪,迴圈處理）
while (true) {
park = g.obtainPark();
if (park != null) break;
}
//臨界區：2隨機停段時間
long sleepTime = (long)(Math.random() * 2500) ;
String tName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(tName+"===="+park+"我停時["+sleepTime+"]就離開！\n\r");
Thread.sleep(sleepTime);
//臨界區：3離開
g.releasePark(park);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
finally {
/**
*釋放訊號：車輛開走一輛,釋放停車場又有空車位了
*/
sem.release();
}
}
}
public class SemaphoreDemo {
public static void main(String[] args) {
int parks = 5 ;//5個車位
Semaphore sem = new Semaphore(parks); //訊號量：同時允許五輛車進入停車場
ParkGround g = new ParkGround(parks); //停車場：
GroundWorkTask eTask = new GroundWorkTask(g,sem); //任務：進場,停會,離開
Thread[] threads = new Thread[10]; //十輛車想做任務：進,停,離
for (int i = 0 ; i < 10 ; ++i) {
threads[i] = new Thread(eTask,"T"+i);
threads[i].start();
}
}
}
執行停車場測試程式碼，列印如下：
T1====Park{num=2 : 被佔用}我停時[351]就離開！
T6====Park{num=5 : 被佔用}我停時[1439]就離開！
T0====Park{num=1 : 被佔用}我停時[341]就離開！
T3====Park{num=3 : 被佔用}我停時[2414]就離開！
T5====Park{num=4 : 被佔用}我停時[188]就離開！
T5釋放Park:num=4
T4====Park{num=4 : 被佔用}我停時[887]就離開！T0釋放Park:num=1
T8====Park{num=1 : 被佔用}我停時[638]就離開！T1釋放Park:num=2
T7====Park{num=2 : 被佔用}我停時[693]就離開！T8釋放Park:num=1
T9====Park{num=1 : 被佔用}我停時[26]就離開！T9釋放Park:num=1
T2====Park{num=1 : 被佔用}我停時[2192]就離開！T7釋放Park:num=2
T4釋放Park:num=4
T6釋放Park:num=5
T3釋放Park:num=3
T2釋放Park:num=1