Java并发基础：Semaphore全面解析！

内容概要

Semaphore通过控制许可数量，实现了对并发线程数的精细管理，有效避免了资源竞争和过载问题，能显著提升系统吞吐量和响应速度，同时，Semaphore还支持公平与非公平策略，具有更好的灵活性和适应性，满足了不同业务场景的需求。

核心概念

Semaphore 是 java.util.concurrent中非常有用的并发编程工具类，它通常被用于限制对某个资源或资源池的并发访问数量。举个实际的例子：假设一个餐厅里只有 10 张桌子，在繁忙的用餐时段，很多顾客会同时来到餐厅，但餐厅的空间有限，不能同时容纳所有顾客，这时，就需要一种机制来控制进入餐厅的顾客数量，确保餐厅不会过于拥挤。

Semaphore 就可以扮演这个控制者的角色，可以将 Semaphore 的许可数设置为 10，这代表着餐厅里最多可以有 10 组顾客同时用餐，每当有顾客进入餐厅并坐下时，Semaphore 的许可数就会减 1；每当有顾客用餐完毕离开时，Semaphore 的许可数就会加 1，如果所有桌子都坐满了，后来的顾客就需要在门外等待，直到有桌子空出来。

在这种业务场景下，使用Semaphore 就可以有效地控制餐厅的拥挤程度，保证了顾客的用餐体验。

具体来说，Semaphore 通常用于以下场景：

1. 限制并发访问量：当一个系统或应用需要限制对某个共享资源（如数据库连接、文件、网络服务等）的并发访问量时，Semaphore 可以用来控制同时访问这些资源的线程数，通过设置 Semaphore 的许可数，可以确保不会有过多的线程同时访问资源，从而防止资源过载或争用条件导致的性能下降。
2. 实现线程同步：除了限制并发访问量外，Semaphore 还可以用于协调多个线程的执行顺序，例如，在一个多线程程序中，如果某个操作需要多个线程按照特定的顺序执行，可以使用 Semaphore 来控制这些线程的执行流程。
3. 资源池管理：Semaphore 还可以用于管理资源池，例如连接池、线程池等，通过动态调整 Semaphore 的许可数，可以根据系统的负载情况动态地增加或减少资源的使用量，从而提高系统的伸缩性和资源利用率。

Semaphore 是一种灵活的同步工具，它非常适合在信号量场景中控制对资源的访问，能够在多线程环境中提供细粒度的控制，帮助开发者有效地管理系统资源，比如，用来控制对数据库连接、线程池资源或其他共享资源的并发访问，从而避免资源争用和系统过载，保证系统的稳定性和性能。

代码案例

下面是一个简单的Java代码示例，演示了如何使用Semaphore来限制对一组资源的并发访问，如下代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.Semaphore;  
  
public class SemaphoreExample {  
  
    // 创建一个Semaphore，初始许可为3，表示资源池中最多有3个资源可用  
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个固定大小的线程池来模拟客户端请求  
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);  
  
        // 提交10个任务到线程池，每个任务代表一个客户端请求  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            executor.submit(() -> {  
                try {  
                    // 线程尝试获取许可  
                    semaphore.acquire();  
                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到资源，开始处理...");  
  
                    // 模拟资源处理时间  
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));  
  
                    System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "处理完毕，释放资源...");  
  
                    // 线程释放许可  
                    semaphore.release();  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            });  
        }  
  
        // 关闭线程池  
        executor.shutdown();  
    }  
}

在上面代码中，创建了一个Semaphore实例，初始许可设置为3，这意味着最多只能有3个线程同时访问资源，然后创建了一个固定大小为5的线程池来模拟客户端请求，提交了10个任务到线程池，每个任务都尝试获取Semaphore的许可，模拟资源的访问。

当线程调用semaphore.acquire()时，它会尝试获取一个许可，如果许可可用，线程将继续执行；如果没有许可可用，线程将被阻塞，直到有许可可用。当线程完成资源访问后，它调用semaphore.release()来释放许可，这样其他等待的线程就可以获取许可并访问资源了。

如下输出结果：

线程pool-1-thread-1获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-2获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-3获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-3处理完毕，释放资源...  
线程pool-1-thread-1处理完毕，释放资源...  
线程pool-1-thread-4获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-2处理完毕，释放资源...  
线程pool-1-thread-5获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-4处理完毕，释放资源...  
线程pool-1-thread-5处理完毕，释放资源...  
线程pool-1-thread-3获取到资源，开始处理...  
线程pool-1-thread-3处理完毕，释放资源...

从输出中可以看到，尽管有一个大小为5的线程池，但Semaphore确保了同时访问资源的线程数不超过3个，当线程处理完资源后，它会释放许可，允许其他线程获取许可并继续执行。

核心API

下面是 Semaphore 类中一些重要方法的解释：

acquire()

此方法用于获取一个许可，如果当前没有可用的许可，则当前线程会被阻塞，直到有许可可用，这是 Semaphore 最基本的使用方式，用于控制对资源的访问。

acquire(int permits)

这个方法允许一次性获取多个许可，如果当前可用许可数量少于请求的数量，则线程会被阻塞，直到有足够的许可可用。

acquireUninterruptibly()

acquireUninterruptibly()和acquireUninterruptibly(int permits)这两个方法与 acquire 类似，但区别在于它们不会响应中断，即使其他线程中断了正在等待的线程，这些线程也会继续等待，直到获得许可。

tryAcquire

tryAcquire()和tryAcquire(int permits)这两个方法尝试获取一个或多个许可，如果当前有可用的许可则立即返回 true，并且获取成功；如果没有可用许可则立即返回 false，线程不会被阻塞。

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)和tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)这两个方法尝试在给定的时间内获取一个或多个许可，如果在指定的时间内获得了许可，则返回 true；否则，返回 false，如果线程在等待期间被中断，那么这两个方法都会抛出 InterruptedException。

release

release()此方法用于释放一个许可，将其返回给 Semaphore，这样其他等待的线程就可以获取它，通常在完成对资源的访问后调用此方法。

release(int permits)

release(int permits)这个方法允许一次性释放多个许可。

availablePermits

availablePermits()这个方法返回当前 Semaphore 中可用的许可数量。

hasQueuedThreads()

检查是否有任何线程正在等待获取许可。

getQueueLength()

返回正在等待获取许可的线程数。

drainPermits()

此方法返回并删除当前所有可用的许可，主要用于一些特殊的场景，比如需要在某个时刻一次性消耗所有许可。

reducePermits(int reduction)

这个方法用于减少 Semaphore 中的可用许可数量，通常用于一些动态调整资源池大小的场景，需要注意的是，这个方法不会阻塞，如果减少后的许可数小于0，那么会抛出 IllegalArgumentException。

注意：Semaphore 并不保证获取许可的公平性，即等待时间最长的线程不一定会优先获得许可。

核心总结

优点

1. 简单易用：通过许可数量，轻松控制并发线程数。
2. 高效：避免了不必要的线程创建和销毁，提高了系统吞吐量。
3. 灵活：支持公平和非公平策略，可根据需求选择。

缺点

1. 不保证公平性：默认策略下，先到的线程不一定先获得许可。
2. 可能导致死锁：使用不当（如在持有Semaphore时执行其他阻塞操作）时，可能会引发死锁。

END!