快捷導(dǎo)航

Java并發(fā)之Semaphore工具類r的全面解析

更新時(shí)間：2024年02月01日 14:59:52 作者：程序員古德

Semaphore 是 java.util.concurrent中非常有用的并發(fā)編程工具類，它通常被用于限制對(duì)某個(gè)資源或資源池的并發(fā)訪問數(shù)量,下面我們就來深入了解一下Semaphore的具體使用吧

內(nèi)容概要

Semaphore通過控制許可數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并發(fā)線程數(shù)的精細(xì)管理，有效避免了資源競爭和過載問題，能顯著提升系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)速度，同時(shí)，Semaphore還支持公平與非公平策略，具有更好的靈活性和適應(yīng)性，滿足了不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求。

核心概念

Semaphore 是 java.util.concurrent中非常有用的并發(fā)編程工具類，它通常被用于限制對(duì)某個(gè)資源或資源池的并發(fā)訪問數(shù)量。舉個(gè)實(shí)際的例子：假設(shè)一個(gè)餐廳里只有 10 張桌子，在繁忙的用餐時(shí)段，很多顧客會(huì)同時(shí)來到餐廳，但餐廳的空間有限，不能同時(shí)容納所有顧客，這時(shí)，就需要一種機(jī)制來控制進(jìn)入餐廳的顧客數(shù)量，確保餐廳不會(huì)過于擁擠。

Semaphore 就可以扮演這個(gè)控制者的角色，可以將 Semaphore 的許可數(shù)設(shè)置為 10，這代表著餐廳里最多可以有 10 組顧客同時(shí)用餐，每當(dāng)有顧客進(jìn)入餐廳并坐下時(shí)，Semaphore 的許可數(shù)就會(huì)減 1；每當(dāng)有顧客用餐完畢離開時(shí)，Semaphore 的許可數(shù)就會(huì)加 1，如果所有桌子都坐滿了，后來的顧客就需要在門外等待，直到有桌子空出來。

在這種業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，使用Semaphore 就可以有效地控制餐廳的擁擠程度，保證了顧客的用餐體驗(yàn)。

具體來說，Semaphore 通常用于以下場(chǎng)景：

限制并發(fā)訪問量：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)或應(yīng)用需要限制對(duì)某個(gè)共享資源（如數(shù)據(jù)庫連接、文件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等）的并發(fā)訪問量時(shí)，Semaphore 可以用來控制同時(shí)訪問這些資源的線程數(shù)，通過設(shè)置 Semaphore 的許可數(shù)，可以確保不會(huì)有過多的線程同時(shí)訪問資源，從而防止資源過載或爭用條件導(dǎo)致的性能下降。
實(shí)現(xiàn)線程同步：除了限制并發(fā)訪問量外，Semaphore 還可以用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行順序，例如，在一個(gè)多線程程序中，如果某個(gè)操作需要多個(gè)線程按照特定的順序執(zhí)行，可以使用 Semaphore 來控制這些線程的執(zhí)行流程。
資源池管理：Semaphore 還可以用于管理資源池，例如連接池、線程池等，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整 Semaphore 的許可數(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地增加或減少資源的使用量，從而提高系統(tǒng)的伸縮性和資源利用率。

Semaphore 是一種靈活的同步工具，它非常適合在信號(hào)量場(chǎng)景中控制對(duì)資源的訪問，能夠在多線程環(huán)境中提供細(xì)粒度的控制，幫助開發(fā)者有效地管理系統(tǒng)資源，比如，用來控制對(duì)數(shù)據(jù)庫連接、線程池資源或其他共享資源的并發(fā)訪問，從而避免資源爭用和系統(tǒng)過載，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

代碼案例

下面是一個(gè)簡單的Java代碼示例，演示了如何使用Semaphore來限制對(duì)一組資源的并發(fā)訪問，如下代碼：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.Semaphore;  
  
public class SemaphoreExample {  
  
    // 創(chuàng)建一個(gè)Semaphore，初始許可為3，表示資源池中最多有3個(gè)資源可用  
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 創(chuàng)建一個(gè)固定大小的線程池來模擬客戶端請(qǐng)求  
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);  
  
        // 提交10個(gè)任務(wù)到線程池，每個(gè)任務(wù)代表一個(gè)客戶端請(qǐng)求  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            executor.submit(() -> {  
                try {  
                    // 線程嘗試獲取許可  
                    semaphore.acquire();  
                    System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "獲取到資源，開始處理...");  
  
                    // 模擬資源處理時(shí)間  
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));  
  
                    System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "處理完畢，釋放資源...");  
  
                    // 線程釋放許可  
                    semaphore.release();  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            });  
        }  
  
        // 關(guān)閉線程池  
        executor.shutdown();  
    }  
}

在上面代碼中，創(chuàng)建了一個(gè)Semaphore實(shí)例，初始許可設(shè)置為3，這意味著最多只能有3個(gè)線程同時(shí)訪問資源，然后創(chuàng)建了一個(gè)固定大小為5的線程池來模擬客戶端請(qǐng)求，提交了10個(gè)任務(wù)到線程池，每個(gè)任務(wù)都嘗試獲取Semaphore的許可，模擬資源的訪問。

當(dāng)線程調(diào)用semaphore.acquire()時(shí)，它會(huì)嘗試獲取一個(gè)許可，如果許可可用，線程將繼續(xù)執(zhí)行；如果沒有許可可用，線程將被阻塞，直到有許可可用。當(dāng)線程完成資源訪問后，它調(diào)用semaphore.release()來釋放許可，這樣其他等待的線程就可以獲取許可并訪問資源了。

如下輸出結(jié)果：

線程pool-1-thread-1獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-2獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-3獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-3處理完畢，釋放資源...
線程pool-1-thread-1處理完畢，釋放資源...
線程pool-1-thread-4獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-2處理完畢，釋放資源...
線程pool-1-thread-5獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-4處理完畢，釋放資源...
線程pool-1-thread-5處理完畢，釋放資源...
線程pool-1-thread-3獲取到資源，開始處理...
線程pool-1-thread-3處理完畢，釋放資源...

從輸出中可以看到，盡管有一個(gè)大小為5的線程池，但Semaphore確保了同時(shí)訪問資源的線程數(shù)不超過3個(gè)，當(dāng)線程處理完資源后，它會(huì)釋放許可，允許其他線程獲取許可并繼續(xù)執(zhí)行。

核心API

下面是 Semaphore 類中一些重要方法的解釋：

acquire()

此方法用于獲取一個(gè)許可，如果當(dāng)前沒有可用的許可，則當(dāng)前線程會(huì)被阻塞，直到有許可可用，這是 Semaphore 最基本的使用方式，用于控制對(duì)資源的訪問。

acquire(int permits)

這個(gè)方法允許一次性獲取多個(gè)許可，如果當(dāng)前可用許可數(shù)量少于請(qǐng)求的數(shù)量，則線程會(huì)被阻塞，直到有足夠的許可可用。

acquireUninterruptibly()

acquireUninterruptibly()和acquireUninterruptibly(int permits)這兩個(gè)方法與 acquire 類似，但區(qū)別在于它們不會(huì)響應(yīng)中斷，即使其他線程中斷了正在等待的線程，這些線程也會(huì)繼續(xù)等待，直到獲得許可。

tryAcquire

tryAcquire()和tryAcquire(int permits)這兩個(gè)方法嘗試獲取一個(gè)或多個(gè)許可，如果當(dāng)前有可用的許可則立即返回 true，并且獲取成功；如果沒有可用許可則立即返回 false，線程不會(huì)被阻塞。

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)和tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)這兩個(gè)方法嘗試在給定的時(shí)間內(nèi)獲取一個(gè)或多個(gè)許可，如果在指定的時(shí)間內(nèi)獲得了許可，則返回 true；否則，返回 false，如果線程在等待期間被中斷，那么這兩個(gè)方法都會(huì)拋出 InterruptedException。

release

release()此方法用于釋放一個(gè)許可，將其返回給 Semaphore，這樣其他等待的線程就可以獲取它，通常在完成對(duì)資源的訪問后調(diào)用此方法。

release(int permits)

release(int permits)這個(gè)方法允許一次性釋放多個(gè)許可。

availablePermits

availablePermits()這個(gè)方法返回當(dāng)前 Semaphore 中可用的許可數(shù)量。

hasQueuedThreads()

檢查是否有任何線程正在等待獲取許可。

getQueueLength()

返回正在等待獲取許可的線程數(shù)。

drainPermits()

此方法返回并刪除當(dāng)前所有可用的許可，主要用于一些特殊的場(chǎng)景，比如需要在某個(gè)時(shí)刻一次性消耗所有許可。

reducePermits(int reduction)

這個(gè)方法用于減少 Semaphore 中的可用許可數(shù)量，通常用于一些動(dòng)態(tài)調(diào)整資源池大小的場(chǎng)景，需要注意的是，這個(gè)方法不會(huì)阻塞，如果減少后的許可數(shù)小于0，那么會(huì)拋出 IllegalArgumentException。

注意：Semaphore 并不保證獲取許可的公平性，即等待時(shí)間最長的線程不一定會(huì)優(yōu)先獲得許可。