O que é Java Semaphore e Mutex – Java Concurrency MultiThread explicado com exemplo

Publicados: 2015-03-12

Tutorial Java Mutex e Semáforo por Crunchify

Java Concurrency é um tópico muito amplo. Existem centenas de tutoriais e exemplos disponíveis para uso. Algum tempo atrás eu escrevi alguns tutoriais sobre Run Multiple Threads Simultaneamente em Java e diferentes tipos de Blocos Sincronizados.

Neste tutorial iremos abordar:

  1. Explicação do Mutex
  2. Explicação do Semáforo
  3. Dois exemplos com detalhes

Vamos começar

Let's keep this in mind ao ler a explicação abaixo:

  • Tome um exemplo de Comprador e Cliente
  • O cliente está emprestando laptops
  • O cliente pode vir e usar o Laptop - o cliente precisa de uma chave para usar um Laptop
  • Após o uso - o cliente pode devolver o Laptop ao Shopper

O que é Mutex (Apenas 1 thread):

O cliente tem uma chave para um laptop. Um cliente pode ter a chave – emprestar um Laptop – no momento. Quando a tarefa termina, o Shopper entrega (libera) a chave para o próximo cliente da fila.

Official Definition :

“Mutex é normalmente usado para serializar o acesso a uma seção de re-entrant code que cannot be executed concurrently por mais de um thread. Um objeto mutex permite apenas um thread em uma seção controlada, forçando outros threads que tentam obter acesso a essa seção a esperar até que o primeiro thread saia dessa seção. ”

Em outras palavras: Mutex = Mutually Exclusive Semaphore

O que é Semáforo (N threads especificados):

Digamos que agora o Shopper tenha 3 laptops idênticos e 3 chaves idênticas. Semáforo é o número de free identical Laptop keys . A contagem de semáforos – a contagem de chaves – é definida como 3 no início (todos os três laptops estão livres), então o valor da contagem é decrementado à medida que o cliente está chegando. Laptop, a contagem de semáforos é 0. Agora, quando algum cliente devolve o Laptop, o semáforo é aumentado para 1 (uma chave livre), e dado ao próximo cliente na fila.

Official Definition : “Um semáforo restringe o número de usuários simultâneos de um recurso compartilhado até um número máximo. Threads podem solicitar acesso ao recurso (diminuindo o semáforo) e podem sinalizar que terminaram de usar o recurso (incrementando o semáforo).”

Outro deve ler: Lazy Creation of Singleton ThreadSafe Instance

Exemplo-1: (Explicação abaixo)

CrunchifySemaphoreMutexTutorial.java
Java
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package crunchify . com . tutorial ;
 
import java . util . LinkedList ;
import java . util . concurrent . Semaphore ;
 
/**
* @author Crunchify.com
*
*/
 
public class CrunchifySemaphoreMutexTutorial {
     static Object crunchifyLock = new Object ( ) ;
     static LinkedList <String> crunchifyList = new LinkedList <String> ( ) ;
    
     // Semaphore maintains a set of permits.
     // Each acquire blocks if necessary until a permit is available, and then takes it.
     // Each release adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer.
     static Semaphore semaphore = new Semaphore ( 0 ) ;
     static Semaphore mutex = new Semaphore ( 1 ) ;
    
     // I'll producing new Integer every time
     static class CrunchifyProducer extends Thread {
         public void run ( ) {
            
             int counter = 1 ;
             try {
                 while ( true ) {
                     String threadName = Thread . currentThread ( ) . getName ( ) + counter ++ ;
                    
                     mutex . acquire ( ) ;
                     crunchifyList . add ( threadName ) ;
                     System . out . println ( "Producer is prdoucing new value: " + threadName ) ;
                     mutex . release ( ) ;
                    
                     // release lock
                     semaphore . release ( ) ;
                     Thread . sleep ( 500 ) ;
                 }
             } catch ( Exception x ) {
                 x . printStackTrace ( ) ;
             }
         }
     }
    
     // I'll be consuming Integer every stime
     static class CrunchifyConsumer extends Thread {
         String consumerName ;
        
         public CrunchifyConsumer ( String name ) {
             this . consumerName = name ;
         }
        
         public void run ( ) {
             try {
                
                 while ( true ) {
                    
                     // acquire lock. Acquires the given number of permits from this semaphore, blocking until all are
                     // available
                     // process stops here until producer releases the lock
                     semaphore . acquire ( ) ;
                    
                     // Acquires a permit from this semaphore, blocking until one is available
                     mutex . acquire ( ) ;
                     String result = "" ;
                     for ( String value : crunchifyList ) {
                         result = value + "," ;
                     }
                     System . out . println ( consumerName + " consumes value: " + result + "crunchifyList.size(): "
                            + crunchifyList . size ( ) + "\n" ) ;
                     mutex . release ( ) ;
                 }
             } catch ( Exception e ) {
                 e . printStackTrace ( ) ;
             }
         }
     }
    
     public static void main ( String [ ] args ) {
         new CrunchifyProducer ( ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Crunchify" ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Google" ) . start ( ) ;
         new CrunchifyConsumer ( "Yahoo" ) . start ( ) ;
     }
}

No tutorial acima CrunchifySemaphoreMutexTutorial.java quando o CrunchifyProducer adiciona threadName ao objeto crunchifyList linkedList ele pode sinalizar o semáforo.

O CrunchifyConsumer pode então estar tentando adquirir o semáforo para que aguarde até que o CrunchifyProducer sinalize que um threadID foi adicionado. Ao sinalizar um dado adicionado, um dos consumidores será acordado e saberá que pode ler um objeto crunchifyList. Ele pode ler uma lista e depois voltar a tentar adquirir no semáforo.

Se nesse tempo o produtor escreveu outro pacote, ele sinalizou novamente e qualquer um dos consumidores irá ler outro pacote e assim por diante…

Em outras palavras:

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CrunchifyProducer : Add an object o List - Semaphore . release ( 1 )
 
CrunchifyConsumer x N ) - Semaphore . acquire ( 1 ) - Read an object from List

Resultado:

Result
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Producer is prdoucing new value : Thread - 01
Crunchify consumes value : Thread - 01 , crunchifyList . size ( ) : 1
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 02
Google consumes value : Thread - 02 , crunchifyList . size ( ) : 2
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 03
Yahoo consumes value : Thread - 03 , crunchifyList . size ( ) : 3
 
Producer is prdoucing new value : Thread - 04
Crunchify consumes value : Thread - 04 , crunchifyList . size ( ) : 4
 
. . . . .
. . . . .
. . . . .

Como evitar a condição de corrida:

What if you have multiple Consumers? No Tutorial Java acima Os consumidores (não o produtor) devem bloquear o buffer ao ler o pacote (mas não ao adquirir o semáforo) para evitar condições de corrida. No exemplo abaixo, o produtor também bloqueia a lista, pois tudo está na mesma JVM.

Exemplo-2:

CrunchifyJavaSemaphoreTutorial.java
Java
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package crunchify . com . tutorial ;
 
import java . util . concurrent . Semaphore ;
 
/**
* @author Crunchify.com
*
*/
 
public class CrunchifyJavaSemaphoreTutorial {
     private static final int MAX_CONCURRENT_THREADS = 2 ;
     private final Semaphore crunchifyAdminLOCK = new Semaphore ( MAX_CONCURRENT_THREADS , true ) ;
    
     public void crunchifyStartTest ( ) {
         for ( int i = 0 ; i < 10 ; i ++ ) {
             CrunchifyPerson person = new CrunchifyPerson ( ) ;
             person . start ( ) ;
         }
     }
    
     public class CrunchifyPerson extends Thread {
         @Override
         public void run ( ) {
             try {
                
                 // Acquire Lock
                 crunchifyAdminLOCK . acquire ( ) ;
             } catch ( InterruptedException e ) {
                 System . out . println ( "received InterruptedException" ) ;
                 return ;
             }
             System . out . println ( "Thread " + this . getId ( ) + " start using Crunchify's car - Acquire()" ) ;
             try {
                 sleep ( 1000 ) ;
             } catch ( Exception e ) {
                
             } finally {
                
                 // Release Lock
                 crunchifyAdminLOCK . release ( ) ;
             }
             System . out . println ( "Thread " + this . getId ( ) + " stops using Crunchify's car -  Release()\n" ) ;
         }
     }
    
     public static void main ( String [ ] args ) {
         CrunchifyJavaSemaphoreTutorial test = new CrunchifyJavaSemaphoreTutorial ( ) ;
         test . crunchifyStartTest ( ) ;
        
     }
}

Resultado:

Result
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Thread 11 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 10 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 10 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 12 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 13 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 11 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 13 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 15 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 14 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 12 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 14 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 16 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 15 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 17 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 17 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 18 start using Crunchify' s car - Acquire ( )
Thread 19 start using Crunchify 's car - Acquire()
Thread 16 stops using Crunchify' s car -   Release ( )
 
Thread 18 stops using Crunchify 's car -  Release()
 
Thread 19 stops using Crunchify' s car -   Release ( )