前言

在Java中，信號(hào)量（Semaphore）是一種常用的同步工具，它可以用來控制對(duì)共享資源的訪問數(shù)量。信號(hào)量主要用于兩個(gè)目的：一個(gè)是用于多個(gè)共享資源的互斥使用，另一個(gè)是用于并發(fā)線程數(shù)的控制。雖然Java的java.util.concurrent包提供了Semaphore類，但了解如何手動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)量可以幫助更深入地理解并發(fā)編程的原理。

下面，我們將使用Synchronized關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)量。我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)量，其中信號(hào)量的計(jì)數(shù)指示可以同時(shí)訪問某一資源的線程數(shù)。

實(shí)現(xiàn)基本框架

首先，我們定義一個(gè)Semaphore類，它需要維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器來跟蹤可用的許可證數(shù)量。計(jì)數(shù)器的初始值在信號(hào)量創(chuàng)建時(shí)通過構(gòu)造函數(shù)提供。

public class SimpleSemaphore {
    private int signals = 0;
    private int bound = 0;

    public SimpleSemaphore(int upperBound) {
        this.bound = upperBound;
    }
}

實(shí)現(xiàn)acquire方法

acquire方法用于獲取一個(gè)許可。如果當(dāng)前沒有可用的許可（即signals等于上界bound），那么該方法將阻塞，直到有許可可用。

public synchronized void acquire() throws InterruptedException {
    while (signals == bound) {
        wait();
    }
    signals++;
    notify();
}

這里使用synchronized關(guān)鍵字來保證方法是線程安全的。如果signals達(dá)到bound，調(diào)用wait()使當(dāng)前線程等待，直到signals減少后再繼續(xù)執(zhí)行。每次調(diào)用acquire方法時(shí)，signals都會(huì)增加，并且通過notify()喚醒可能在等待的線程。

實(shí)現(xiàn)release方法

release方法用于釋放一個(gè)許可，增加可用許可的數(shù)量。如果有線程正在等待許可，那么其中一個(gè)線程將被喚醒。

public synchronized void release() throws InterruptedException {
    while (signals == 0) wait();
    signals--;
    notify();
}

同樣，使用synchronized確保線程安全，并在釋放許可后通過notify()喚醒可能正在等待的線程。

示例使用

以下是如何使用SimpleSemaphore的一個(gè)簡(jiǎn)單示例。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SimpleSemaphore semaphore = new SimpleSemaphore(3); // 允許3個(gè)線程同時(shí)訪問

        Runnable longRunningTask = () -> {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is running");
                // 模擬長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)
                Thread.sleep(2000);
                semaphore.release();
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is finished");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(longRunningTask).start();
        }
    }
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)具有3個(gè)許可的SimpleSemaphore，然后啟動(dòng)了10個(gè)線程來執(zhí)行一項(xiàng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。由于信號(hào)量的限制，這10個(gè)線程將分批（每批3個(gè)）執(zhí)行。

總結(jié)

通過使用synchronized關(guān)鍵字、wait()和notify()方法，我們可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)量。這個(gè)實(shí)現(xiàn)提供了互斥訪問和線程間的協(xié)調(diào)能力。雖然Java的Semaphore類提供了更高級(jí)的功能，但手動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量是理解并發(fā)控制的一個(gè)很好的練習(xí)。記住，真實(shí)環(huán)境下應(yīng)優(yōu)先使用Java標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的并發(fā)工具，因?yàn)樗鼈兘?jīng)過了更廣泛的測(cè)試并且優(yōu)化得更好。

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