引言

我們今天一起來了解一下JUC的同步工具類-Semaphore的基本用法。

什么是Semaphore(信號(hào)量)

Semaphore (信號(hào)量) 是 java.util.concurrent 包下非常有用的一個(gè)并發(fā)工具類。你可以把它理解為用于控制同時(shí)訪問特定資源的線程數(shù)量的工具。它維護(hù)了一組“許可”（permits），線程在訪問受保護(hù)資源前必須先獲取一個(gè)許可，使用完后再釋放該許可。

場(chǎng)景引入

想象一個(gè)只有 5 個(gè)車位的停車場(chǎng)（共享資源）：

1. Permits (許可證/令牌)： 初始化時(shí)，Semaphore 擁有 5 個(gè)令牌。
2. Acquire (獲取)： 車輛（線程）進(jìn)入時(shí)，先領(lǐng) 1 個(gè)令牌。如果沒有令牌了（計(jì)數(shù)為0），車輛就得在門口排隊(duì)（阻塞）。
3. Release (釋放)： 車輛離開時(shí)，歸還 1 個(gè)令牌。此時(shí)如果有排隊(duì)的車輛，就會(huì)喚醒其中一個(gè)進(jìn)入。

這就是Semaphore做的事，控制在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)可以訪問特定資源的線程數(shù)量。

基本概念

• 許可（Permit） ：Semaphore 內(nèi)部維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，表示當(dāng)前可用的許可數(shù)量。
• acquire() ：嘗試獲取一個(gè)或多個(gè)許可。如果沒有足夠許可，線程會(huì)被阻塞，直到有足夠許可可用。
• release() ：釋放一個(gè)或多個(gè)許可，增加可用許可數(shù)量，可能喚醒等待中的線程。

底層原理

Semaphore 內(nèi)部基于 AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 實(shí)現(xiàn)。

• 它使用 AQS 的 state 變量來存儲(chǔ)當(dāng)前的許可證數(shù)量。
• acquire() 操作是對(duì) state 進(jìn)行 CAS 減法。
• release() 操作是對(duì) state 進(jìn)行 CAS 加法。

常用方法

下面是Semaphore的常用方法。

使用例子

這是最典型的使用場(chǎng)景：限流 (Rate Limiting) 或 資源池控制。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SemaphoreExample {

    // 定義一個(gè)只能允許3個(gè)線程同時(shí)訪問的信號(hào)量
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 模擬10個(gè)請(qǐng)求同時(shí)涌入
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            executor.execute(() -> {
                try {
                    // 1. 獲取許可 (如果拿不到，這里會(huì)阻塞)
                    // 也可以使用 tryAcquire() 來進(jìn)行非阻塞嘗試
                    semaphore.acquire(); 
                    
                    System.out.println("線程 " + threadNum + " 拿到了令牌，正在處理業(yè)務(wù)...");
                    // 模擬業(yè)務(wù)耗時(shí)
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
                    
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                } finally {
                    // 2. 關(guān)鍵：一定要在 finally 中釋放許可！
                    System.out.println("線程 " + threadNum + " 處理完畢，歸還令牌 ---");
                    semaphore.release(); 
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

一般使用場(chǎng)景有這些，特別是框架特別喜歡用：

• 數(shù)據(jù)庫連接池（限制最大連接數(shù)）
• 線程池任務(wù)提交限流
• 文件讀寫并發(fā)控制
• 服務(wù)接口的 QPS 限流

平時(shí)使用的坑你要注意

場(chǎng)景 A：公平性 (Fairness)

new Semaphore(3, true) 會(huì)保證等待最久的線程最先拿到令牌。

• 優(yōu)點(diǎn)： 避免線程饑餓。
• 缺點(diǎn)： 性能較差（因?yàn)橐S護(hù)嚴(yán)格的隊(duì)列順序，增加了上下文切換開銷）。通常后端高并發(fā)場(chǎng)景默認(rèn)使用非公平模式以換取吞吐量。

場(chǎng)景 B：初始化為 0

Semaphore 不一定要初始化為正數(shù)。如果你初始化為 new Semaphore(0)：

• 線程 A 調(diào)用 acquire() 會(huì)立刻阻塞。
• 直到線程 B 調(diào)用 release()，線程 A 才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。
• 用途： 這種模式類似 CountDownLatch 或 Exchanger，用于線程間的單次信號(hào)通知。

常見坑

1. 忘記 Release： 如果在異常發(fā)生前沒有釋放，或者沒寫在 finally 塊中，在這個(gè) JVM 進(jìn)程重啟前，那個(gè)令牌就永久丟失了（類似內(nèi)存泄漏），最終導(dǎo)致所有線程阻塞。所以千萬要記住，寫release在finally塊?。?/li>
2. Release 濫用： release() 只是簡(jiǎn)單地將計(jì)數(shù)器 +1。如果你在沒有 acquire 的情況下錯(cuò)誤地調(diào)用了多次 release()，信號(hào)量的許可證數(shù)量會(huì)超過初始值（比如變成 5+1 = 6），導(dǎo)致限流失效。

和平時(shí)的ReentrantLock / synchronized 的區(qū)別

使用用途和目的是它們最大的區(qū)別。

那么使用自定義計(jì)時(shí)器+鎖+喚醒等待機(jī)制也是可以實(shí)現(xiàn)Semaphore一樣的功能，但是沒必要，還容易出錯(cuò)。不如直接使用Semaphore。

總結(jié)

Semaphore就是用來限制同時(shí)訪問統(tǒng)一資源的工具。

除了平時(shí)開發(fā)使用到Semaphore，我們平時(shí)面試做有關(guān)于多線程的算法題也有可能用到噢，所以還是非常有必要熟悉Semaphore的。

到此這篇關(guān)于一站式了解Java中Semaphore的基本用法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java Semaphore用法內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論