Java中Semaphore的深入解析与实战应用

Java中Semaphore的深入解析与实战应用

在并发编程的世界里，线程同步是一个至关重要的话题。Java提供了多种同步机制，其中Semaphore（信号量）是一个非常强大的工具，它可以用来控制对共享资源的访问。在这篇博客中，我们将深入探讨Semaphore的概念、用法，并通过实例来加深理解。

什么是Semaphore？

Semaphore（信号量）是一种计数器，用于管理一定数量的许可（permit）。它主要用于限制可以访问某些资源的线程数量。Semaphore有两种主要操作：

• acquire()：获取一个许可，如果没有可用的许可，当前线程将被阻塞直到有许可被释放。
• release()：释放一个许可，增加可用的许可数量。

Semaphore可以是公平的（Fair），也可以是非公平的（Nonfair）。公平Semaphore在分配许可时考虑线程的等待时间，而非公平Semaphore则不考虑。

Semaphore的基本使用

在Java中，Semaphore类位于java.util.concurrent包中。下面是如何创建一个Semaphore对象的例子：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个Semaphore实例，它允许5个线程同时访问
        Semaphore semaphore = new Semaphore(5);

        // 创建和启动线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Worker(semaphore, i)).start();
        }
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private final Semaphore semaphore;
    private final int workerNumber;

    Worker(Semaphore semaphore, int workerNumber) {
        this.semaphore = semaphore;
        this.workerNumber = workerNumber;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 获取许可
            semaphore.acquire();
            System.out.println("Worker " + workerNumber + " is working");
            // 模拟工作耗时
            Thread.sleep(1000);
            // 释放许可
            semaphore.release();
            System.out.println("Worker " + workerNumber + " has finished");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在上面的例子中，我们创建了一个允许5个线程同时访问的Semaphore。尽管我们启动了10个线程，但是因为Semaphore的限制，任何时候都不会有超过5个线程同时执行工作。

Semaphore的高级用法

除了基本的acquire()和release()方法，Semaphore还提供了tryAcquire()方法，它尝试获取许可而不是等待直到获得许可。此方法返回一个布尔值，表示是否成功获取了许可。

// 尝试获取许可，立即返回结果
boolean success = semaphore.tryAcquire();

// 尝试获取许可，最多等待指定时间
boolean successWithTimeout = semaphore.tryAcquire(100, TimeUnit.MILLISECONDS);

实战应用举例

让我们通过一个实际的例子来看看如何使用Semaphore。假设我们有一个打印机池，里面有3台打印机，但是有多个用户需要打印文档。我们可以使用Semaphore来确保一次只有3个用户可以使用打印机。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class PrinterPool {
    // 创建一个Semaphore，允许3个线程同时访问
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public void printDocument(Object document) {
        try {
            // 获取许可
            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is printing a document");
            // 模拟打印耗时
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 释放许可
            semaphore.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has finished printing");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrinterPool printerPool = new PrinterPool();

        // 创建和启动线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int userNumber = i;
            new Thread(() -> printerPool.printDocument("Document " + userNumber), "User " + userNumber).start();
        }
    }