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什么是 Java Semaphore 和 Mutex – Java Concurrency MultiThread 举例说明

已发表: 2015-03-12

Crunchify 的 Java Mutex 和信号量教程

Java并发是一个非常广泛的话题。 有数百个教程和示例可供使用。 前段时间我写过一些关于在 Java 中并发运行多个线程和不同类型的同步块的教程。

在本教程中，我们将介绍：

  1. 互斥量的解释
  2. 信号量的解释
  3. 两个有细节的例子

让我们开始吧

在阅读以下说明时Let's keep this in mind ：

  • 以 Shopper 和 Customer 为例
  • 购物者正在借笔记本电脑
  • 客户可以来使用笔记本电脑——客户需要钥匙才能使用笔记本电脑
  • 使用后 – 客户可以将笔记本电脑退还给购物者

什么是互斥锁（只有 1 个线程）：

购物者有笔记本电脑的钥匙。 一位客户当时可以拥有钥匙——借用一台笔记本电脑。 当任务完成时，Shopper 将钥匙交给（释放）队列中的下一位顾客。

Official Definition ：

“互斥锁通常用于序列化对cannot be executed concurrently的可re-entrant code部分的访问。 互斥对象只允许一个线程进入受控部分，迫使试图访问该部分的其他线程等待，直到第一个线程退出该部分。”

换句话说： Mutex = Mutually Exclusive Semaphore

什么是信号量（N个指定线程）：

假设现在 Shopper 有 3 台相同的笔记本电脑和 3 个相同的钥匙。 信号量是free identical Laptop keys的数量。 信号量计数——键的数量——在开始时设置为 3（所有三台笔记本电脑都是空闲的），然后随着客户进来，计数值递减。如果所有笔记本电脑都在使用，即没有空闲键可供使用笔记本电脑，信号量计数为 0。现在，当任何客户返回笔记本电脑时，信号量增加到 1（一个空闲密钥），并提供给队列中的下一个客户。

Official Definition ：“信号量将共享资源的同时用户数限制为最大数量。 线程可以请求对资源的访问（减少信号量），并且可以发出信号表明它们已经完成了对资源的使用（增加信号量）。”

另一个必须阅读：单例线程安全实例的延迟创建

示例 1：（解释如下）

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 ( ) ;
     }
}

在上面的教程CrunchifySemaphoreMutexTutorial.java ，当CrunchifyProducer将threadName添加到crunchifyList linkedList 对象时，它可以向信号量发出信号。

然后， CrunchifyConsumer可以尝试获取信号量，因此它们将一直等待，直到 CrunchifyProducer 发出已添加线程 ID 的信号。 在发出添加数据的信号后，其中一个消费者将被唤醒，它会知道它可以读取一个 crunchifyList 对象。 它可以读取一个列表，然后返回尝试获取信号量。

如果在那个时候，生产者已经写了另一个数据包，它会再次发出信号，然后任何一个消费者将继续读取另一个数据包，依此类推……

换一种说法：

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

结果：

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
 
. . . . .
. . . . .
. . . . .

如何防止竞态条件：

What if you have multiple Consumers? 在上面的 Java 教程中，消费者（不是生产者）在读取数据包时（而不是在获取信号量时）应该锁定缓冲区，以防止竞争条件。 在下面的示例中，生产者还锁定了列表，因为所有内容都在同一个 JVM 上。

示例 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 ( ) ;
        
     }
}

结果：

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 ( )