java高并发高频面试题:Sempahore的使用场景与常见误区

Posted 2021-09-05 中间件兴趣圈

大家好，我是威哥，《RocketMQ技术内幕》一书作者，荣获RocketMQ官方社区优秀布道师、CSDN2020博客执之星Top2等荣誉称号。目前担任中通快递技术平台部资深架构师，主要负责全链路压测、消息中间件、数据同步等产品的研发与落地，拥有千亿级消息集群的运维经验，不仅实践经验丰富，而且对其源代码有深入且系统的研究。欢迎大家关注我，一起抱团发展。

JUC，java并发框架也是面试中的常客，而Semaphore信号量又是JUC的重头戏。

Semaphore简单吗？使用起来非常简单，但最近生产环境遇到一个故障，最终原因竟然是Semaphore在多线程异步环境使用不当造成的？

读者朋友们一定会觉得很诧异，容我慢慢道来。

文章开头时先吹一个牛：我有一双“火眼金睛”，任你刷多少题，是否用过Semaphore，我一问便知。

1、Sempahore使用场景

读者朋友们对下面的对话我想肯定不会陌生：

面试官：看你简历中写到你熟悉多线程编程，那你的多线程工具包有哪些工具？

候选人：多线程jdk提供了丰富的工具，都集中在JUC包中，通常有线程池、Semaphore、CountDownLatch、原子类等。
面试官：那你能说说信号量Semaphore通常在什么场景下使用呢？
候选人：限流
面试官：如何基于Semaphore进行限流？
候选人：。。。。。。
面试官：看图说话，这段代码是否正确？

Sempahore信号量最经典的使用场景是限流，用于控制并发度。

回想我们在开发系统时免不了要对接第三方系统，例如在快递行业的用户端系统（寄件）时，用户通过微信小程序进行下单时，需要手动填写收件人、寄件人信息等信息，十分繁琐与低效，能否从产品角度加以改善？

当然可以，产品提成上传一张包含收件地址等信息等图片，通过AI等技术识别图片，自动提取图片中的有效信息并自动填充，提高用户体验。

通过技术选型，我们敲定了百度的免费(付费)图片识别接口，但第三方提供的配额是有限的，特别是会限制接口的并发度，超过并发度的接口将会返回错误，特别是免费类的接口更加如此？

该如何处理呢？Sempahore闪亮登场。

2、许可超额现象及解决方案

Sempahore的使用场景非常经典，其使用看上区非常简单，其基本的使用代码如下：

上面的方法就是控制doSomeThing()方法的调用并发度，即同一时间允许多少个线程并发执行doSomeThing()方法中的代码，简单说明一下：

• 在创建Sempahore对象时指定该信号量中包含的许可数量。
• 在执行业务方法之前，首先向信号量对象中申请一个许可，如果申请到，acquire()方法立即返回，执行完成业务逻辑放一定要调用release()方法，释放许可。
• 如果当前许可已全部申请，其他线程调用信号量的acquire()方法时会阻塞，当然acquire方法也可以设置超时时间，该方法的返回结果表示是否申请到许可。

温馨提示：上面的代码有漏洞，你能发现吗？

上面的代码有可能造成多释放，当10个线程分别去获取许可，都能成功，但都在执行doSomeThing()方法的时候，第11个线程尝试获取许可，但可能发生中断等异常导致没成功获取许可而触发异常，但最终进入到finally语句块，进行释放许可，这样就会增加许可数量，导致逻辑异常，这样的问题特别是在调用带超时时间的acquire方法时更加明显，其正确的使用如下图所示：

3、许可不释放导致无限阻塞

上面只是“小试牛刀”，使用Sempahore真正的挑战在于多线程环境中，我们回到开头部分的场景，调用第三方接口解析图片，并使用多线程提高并发度，示例代码如下：

该示例主要是结合CompletableFuture实现多线程并发，并结合信号量控制调用第三方接口的并发度(这里用doSomeThing()方法表示)。

温馨提示：CompleteableFuture的whenComplete事件回调函数是发生异常时也会进入，并且第二个参数为异常对象。

在JDK8中CompletableFuture暂不支持设置超时时间，故本例使用了CountDownLatch用来控制test02方法的超时时间。

上面的示例是不是非常给力，但如果细看，可能存在许可不及时释放的问题，也就示说semaphore的release()方法不会执行，因为上述方法会超时。

许可不释放带来的后果非常严重，因为后续申请的时候由于一直没有许可，将无法获取许可，而无法执行业务逻辑。

初步解决思路就是在cdh.awiat方法结束后判断是否超时，如果超时，手动释放许可，例如下图所示：

这样的想法好是好，但这样会造成许可的多次释放，最终导致许可数量增加，超过预期。

这其实是要求seaphore的release方法会在不同条件下在不同地方会被调用，但同一个请求只在其中一个地方被执行。

要解决这个问题，我想大家会自然而然的想到JUC中的另外的工具：原子类，尽管多次调用，我们只需第一次调用时真正释放许可，其他调用则直接忽略即可。

解决方案如下：

引入一个包装类，包装Sempahore，并结合AtomicBoolean，保证每一个SempahoreReleaseOnlyOne对象只会释放Sempahore一次。

引入该类后，上面的代码改造如下：

本文就介绍到这里了，Semaphore看似简单，但要用好用对还是有难度的，不知各位是否Get到了。如果需要整套源码，可以发送私信：SCODE，即可获取。

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