Java 多线程工具类 Semaphore

引言

在多线程编程中，控制对共享资源的访问是一个关键问题。Java 提供了多种同步机制来解决这个问题，其中 Semaphore 是一种常用的工具类，用于限制可以同时访问某个资源的线程数。本文将详细介绍 Semaphore 的概念、使用方法和实际应用场景。

1. Semaphore 概述

Semaphore 是 java.util.concurrent 包中的一个类，用于控制同时访问某个特定资源的线程数量。它维护了一组许可（permits），线程在访问资源前必须先获得许可，访问结束后再释放许可。Semaphore 可以用于实现资源池、限流器等功能。

2. Semaphore 的基本使用

2.1 初始化

Semaphore 可以通过两种方式进行初始化：

// 初始化一个具有指定许可数量的 Semaphore
Semaphore semaphore = new Semaphore(permits);// 初始化一个具有指定许可数量，并指定是否为公平模式的 Semaphore
Semaphore semaphore = new Semaphore(permits, fair);

permits：初始的许可数量。
fair：如果为 true，则 Semaphore 按照 FIFO（先进先出）原则分配许可，否则按照默认的非公平模式。

2.2 主要方法

acquire()：获取一个许可，如果没有可用的许可，则阻塞直到有许可可用。
acquire(int permits)：获取指定数量的许可。
tryAcquire()：尝试获取一个许可，立即返回，不阻塞。
tryAcquire(int permits)：尝试获取指定数量的许可。
release()：释放一个许可。
release(int permits)：释放指定数量的许可。

3. 示例代码

以下是一个使用 Semaphore 控制对共享资源访问的示例代码，模拟了一个停车场的场景，限制了同时停放的车辆数量。

import java.util.concurrent.Semaphore;public class ParkingLot {private final Semaphore semaphore;public ParkingLot(int slots) {this.semaphore = new Semaphore(slots);}public void parkCar(String carName) {try {System.out.println(carName + " is trying to enter the parking lot.");semaphore.acquire();System.out.println(carName + " has entered the parking lot.");// 模拟停车时间Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println(carName + " is leaving the parking lot.");semaphore.release();}}public static void main(String[] args) {final int parkingSlots = 3;final ParkingLot parkingLot = new ParkingLot(parkingSlots);for (int i = 1; i <= 10; i++) {final String carName = "Car-" + i;new Thread(() -> parkingLot.parkCar(carName)).start();}}
}

4. Semaphore 的实际应用场景

资源池：控制对有限资源的并发访问，如数据库连接池、线程池等。
限流器：限制某些操作的并发执行数量，防止过载。
多路复用器：实现多路复用机制，控制对多个资源的访问。
同步工具：协调多线程之间的交互，确保按顺序访问某些资源。

5. Semaphore 的优缺点

优点

灵活性：可以灵活控制同时访问资源的线程数量。
简单易用：API 简单明了，容易理解和使用。
公平性：支持公平模式，保证线程按顺序获取许可。

缺点

性能开销：在高并发场景下，频繁的许可获取和释放操作可能带来一定的性能开销。
死锁风险：如果许可获取和释放操作不正确，可能导致死锁。

6. Semaphore 的扩展

超时机制：tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 方法可以尝试在指定时间内获取许可，如果超时则返回 false。
多许可控制：Semaphore 可以同时控制多个许可，通过 acquire(int permits) 和 release(int permits) 方法进行多许可的获取和释放。