Java并发编程之Semaphore信号量

1. 基本原理

• 许可计数器
  Semaphore 在构造时设定一个许可数量，这个数量表示可以同时访问共享资源的线程数。

  • 如果许可数为 1，Semaphore 就相当于一个互斥锁；
  • 如果许可数大于 1，就可以允许多个线程同时访问。

• 获取与释放许可

  • 获取许可：线程调用 acquire() 方法时，会尝试从许可计数器中减去一个许可。如果当前没有足够的许可，线程将阻塞，直到有其他线程释放许可。
  • 释放许可：线程使用完共享资源后，必须调用 release() 方法，将许可归还给 Semaphore，使得其他等待线程能够继续获取许可。

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2. 使用方法

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    // 初始化 Semaphore，设置许可数为 3，表示最多允许 3 个线程同时访问共享资源
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
    private static int sharedResource = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Worker()).start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获取许可，若没有可用许可，则阻塞等待
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取许可，开始访问资源。");
                // 对共享资源进行操作（例如累加计数器）
                sharedResource++;
                Thread.sleep(2000); // 模拟操作耗时
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放许可，结束访问资源。");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                // 释放许可，允许其他线程进入
                semaphore.release();
            }
        }
    }
}

在这个例子中，Semaphore 被初始化为 3，因此最多允许 3 个线程同时访问 sharedResource。当第 4 个线程调用 acquire() 时，它将会阻塞，直到其他线程调用 release() 归还许可。

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3. 特性与注意事项

• 公平性
  Semaphore 支持公平和非公平两种模式。

  • 公平模式：线程获取许可时按照先入先出顺序进行，防止线程饥饿；
  • 非公平模式：线程获取许可时不保证顺序，这通常能提供更高的吞吐量。
    可以通过构造方法的第二个参数来指定是否为公平模式：

  Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true); // 公平模式
  

• 非重入性

• 资源池管理
  Semaphore 常用于实现对有限资源的访问控制，通过许可的获取和释放来管理资源的并发访问。