什么是Java 中的 Semaphore？

在多线程编程中，如何有效地控制多个线程对共享资源的访问是一个重要的问题。Semaphore（信号量）是 Java 中一个重要的同步工具，用于控制同时访问特定资源的线程数量。本文将深入探讨 Semaphore 的产生背景、基本使用、工作原理及其广泛的应用场景。

Semaphore 产生的背景

Semaphore 的概念由荷兰计算机科学家 Edsger W. Dijkstra 在 1960 年代提出，旨在解决多线程编程中的同步问题，即如何在多个线程或进程之间协调对共享资源的访问。

多线程同步问题

在多线程环境中，多个线程可能会同时访问共享资源，这会导致数据不一致或竞态条件。常见的同步问题包括：

1. 互斥访问：确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。
2. 读写锁：允许多个线程同时读取资源，但写入资源时需要独占访问。
3. 信号量控制：限制并发访问的线程数，避免资源过载。

早期解决方案

在 Semaphore 被提出之前，早期的解决方案主要依赖于锁（Lock）和条件变量（Condition Variable）。这些同步原语可以解决基本的互斥访问问题，但在控制并发线程数量方面存在一定的局限性。

信号量的引入

为了解决上述问题，Dijkstra 引入了信号量的概念。信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问。信号量可以是二进制信号量（类似于互斥锁）或计数信号量（允许多个线程同时访问资源）。

信号量的基本操作包括：

• P 操作（Proberen，试图减少）：尝试减少信号量，如果信号量为 0，则线程进入等待状态。
• V 操作（Verhogen，增加）：增加信号量，并唤醒等待队列中的一个线程。

信号量的实现

在 Java 中，信号量通过 Semaphore 类实现。Semaphore 提供了获取和释放许可的方法，用于控制线程对共享资源的并发访问。

现代应用

在现代计算机系统中，Semaphore 的应用场景非常广泛，包括但不限于：

1. 限流控制：限制同时访问某个服务或资源的线程数。
2. 资源池管理：控制对有限资源（如数据库连接、线程池）的并发访问。
3. 生产者-消费者模型：协调生产者和消费者线程之间的数据传递。
4. 并发任务执行：限制同时执行的并发任务数量，避免系统过载。

Semaphore 的基本使用

假设有 N (N>5) 个线程需要访问一个共享资源，但同一时刻只能有 5 个线程能够访问这个资源。以下是一个简单的示例：

java

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 初始共享资源数量
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

        // 模拟 N 个线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Task(semaphore)).start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        private Semaphore semaphore;

        Task(Semaphore semaphore) {
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 获取1个许可