详解Java信号量-Semaphore

第1章：引言

大家好，我是小黑。今天，咱们一起来深入探讨一下Semaphore。在Java中，正确地管理并发是一件既挑战又有趣的事情。当谈到并发控制，大家可能首先想到的是synchronized关键字或者是ReentrantLock。但其实，Java还提供了一个非常强大的工具，就是Semaphore。

Semaphore，直译过来就是“信号量”。在日常生活中，信号灯控制着车辆的通行，防止交通混乱，这其实和Semaphore在程序中的作用颇为相似。Semaphore主要用于控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，保证合理的使用公共资源。比方说如果有一家餐馆只允许固定数量的顾客同时用餐，这就是Semaphore的经典应用场景。

第2章：Semaphore的基本概念

让我们先来了解一下Semaphore的基本概念。在Java中，Semaphore是位于java.util.concurrent包下的一个类。它的核心就是维护了一个许可集。简单来说，就是有一定数量的许可，线程需要先获取到许可，才能执行，执行完毕后再释放许可。

那么，这个许可是什么呢？其实，你可以把它想象成是对资源的访问权。比如，有5个许可，就意味着最多允许5个线程同时执行。线程可以通过acquire()方法来获取许可，如果没有可用的许可，该线程就会阻塞，直到有许可可用。

让我们看个简单的例子。假设咱们有一个限制了最多同时3个线程执行的Semaphore：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    // 创建一个Semaphore实例，许可数量为3
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        // 创建并启动三个线程
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            new Thread(new Task(semaphore), "线程" + i).start();
        }
    }

    static class Task implements Runnable {
        private final Semaphore semaphore;

        public Task(Semaphore semaphore) {
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                // 请求许可
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取许可，正在执行");
                Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行完毕，释放许可");
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                // 释放许可
                semaphore.release();
            }
        }
    }
}

在这个例子中，咱们创建了一个Semaphore实例，设置最大许可数为3。这意味着，最多只能有3个线程同时运行Task中的代码。每个线程在开始执行前，都会尝试通过acquire()方法获取一个许可。

第3章：Semaphore的核心原理

现在，咱们深入一下Semaphore的核心原理。理解这个原理对于掌握Semaphore的高效使用至关重要。在Java中，Semaphore不仅仅是个计数器，它背后的原理和实现逻辑比看起来要复杂得多。

Semaphore的核心是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）这个框架。AQS是Java并发包中的一个非常重要的组件，它用来构建锁或者其他同步器。简单来说，AQS提供了一种机制，可以让线程在访问某个资源前进入等待状态，并在资源可用时被唤醒。这正是Semaphore的基础。

Semaphore维护了一个许可集，这个集合的大小在初始化时设定。每次调用acquire()方法，Semaphore会试图从这个集合中取出一个许可。如果没有可用的许可，线程就会被阻塞，直到有其他线程释放一个许可。相反，release()方法会增加许可的数量，并有可能唤醒等待的线程。

让小黑通过一段代码来更好地说明这个原理：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDeepDive {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一个只有2个许可的Semaphore
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

        Runnable task = () -> {
            try {
                // 尝试获取许可
                semaphore.acquire();
                System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 获取了许可");
                // 模拟任务执行
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                // 释放许可
                semaphore.release();
                System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 释放了许可");
            }
        };

        // 创建并启动3个线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}

在这个例子中，Semaphore被初始化为只有两个许可。当三个线程尝试运行时，只有两个能够同时执行。第三个线程必须等待，直到一个许可被释放。这就是Semaphore控制并发的机制。

第4章：使用Semaphore的场景

咱们来聊聊Semaphore在实际编程中的应用场景。理解了Semaphore的基础和原理后，咱们现在可以探索它在实际场景中的具体使用。Semaphore非常灵活，可以用于多种场合，特别是在控制资源访问的并发环境中。

场景一：资源池

想象一下，小黑有一个数据库连接池，这个池子里只有几个数据库连接。如果所有的连接都被占用了，其他需要数据库连接的线程就得等待。这就是Semaphore的经典应用场景。通过限制可用的连接数量，Semaphore确保了不会有太多的线程同时访问数据库。

场景二：限流

在Web服务中，咱们可能想要限制某个服务的并发请求数量，以防止服务器过载。Semaphore可以很容易地实现这个功能。设置一个固定数量的许可，就可以限制同时处理的请求数量。

代码示例

让小黑用代码展示一下这些场景。首先，是一个简单的数据库连接池的示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class DatabaseConnectionPool {
    private final Semaphore semaphore;
    private final String[] connectionPool;
    private final boolean[] used;

    public DatabaseConnectionPool(int poolSize) {
        semaphore = new Semaphore(poolSize);
        connectionPool = new String[poolSize];
        used = new boolean[poolSize];
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            connectionPool[i] = "连接 " + (i + 1);
        }
    }

    public String getConnection() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();
        return getNextAvailableConnection();
    }

    public void releaseConnection(String connection) {
        if (markAsUnused(connection)) {
            semaphore.release();
        }
    }

    private synchronized String getNextAvailableConnection() {
        for (int i = 0; i < connectionPool.length; i++) {
            if (!used[i]) {
                used[i] = true;
                return connectionPool[i];
            }
        }
        return null; // 不应该发生，semaphore保证了有可用连接
    }

    private synchronized boolean markAsUnused(String connection) {
        for (int i = 0; i < connectionPool.length; i++) {
            if (connection.equals(connectionPool[i])) {
                used[i] = false;
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

这个代码演示了如何使用Semaphore来控制对有限数量资源（数据库连接）的访问。每个连接在使用前需要获得一个许可，使用完后释放许可。

第5章：Semaphore的高级特性

公平性与非公平性

Semaphore有两种模式：公平模式和非公平模式。公平模式下，线程获得许可的顺序与它们请求许可的顺序一致，就像排队一样。而非公平模式则没有这种保证，线程可以“插队”，这可能会导致某些线程等待时间过长。

在Java中，创建Semaphore时可以指定是公平模式还是非公平模式。默认情况下，Semaphore是非公平的。公平模式通常会有更高的性能开销，因为它需要维护一个更加复杂的内部结构来保证顺序。

可中断操作

在Semaphore中，等待许可的操作可以是可中断的。这意味着如果一个线程在等待一个许可时被中断，它可以选择退出等待。这在处理某些需要响应中断的场景时非常有用。

代码示例

让小黑给你演示一下这两个特性的代码实例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreAdvancedFeatures {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个公平模式的Semaphore
        Semaphore fairSemaphore = new Semaphore(1, true);

        // 创建并启动两个线程
        Thread t1 = new Thread(new Worker(fairSemaphore), "线程1");
        Thread t2 = new Thread(new Worker(fairSemaphore), "线程2");
        t1.start();
        t2.start();

        // 演示可中断操作
        Thread interruptibleThread = new Thread(() -> {
            try {
                fairSemaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了许可");
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被中断");
            }
        });
        interruptibleThread.start();
        Thread.sleep(1000); // 等待一会
        interruptibleThread.interrupt(); // 中断线程
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private final Semaphore semaphore;

        Worker(Semaphore semaphore) {
            this.semaphore = semaphore;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了许可");
                Thread.sleep(2000); // 模拟工作
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            } finally {
                semaphore.release();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 释放了许可");
            }
        }
    }
}

在这个代码中，小黑创建了一个公平模式的Semaphore，并演示了两个线程按顺序获取许可的情况。同时，还展示了一个线程在尝试获取许可时如何被中断。

第6章：Semaphore的问题与解决方案

问题一：资源耗尽

最常见的问题之一是资源耗尽。当所有许可都被占用，并且持有许可的线程因某种原因无法释放许可时，就会出现资源耗尽的情况。这可能会导致其他线程永久等待，从而造成死锁。

解决方案：确保在使用资源后总是释放许可。可以使用try-finally块来确保即使在发生异常时也能释放许可。

问题二：公平性问题

如前所述，Semaphore可以是公平的或非公平的。在非公平模式下，有可能导致某些线程饥饿，即永远得不到执行的机会。

解决方案：如果需要保证每个线程都有机会执行，可以考虑使用公平模式的Semaphore。

问题三：性能问题

在高并发场景中，Semaphore可能成为性能瓶颈。由于线程频繁地获取和释放许可，可能会导致过多的上下文切换和竞争。

解决方案：适当调整许可的数量，或者寻找其他更适合高并发场景的并发工具。

代码示例

让小黑通过代码来展示如何妥善处理这些问题：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreProblemSolving {
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(1);

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(SemaphoreProblemSolving::safeMethod, "线程1");
        Thread thread2 = new Thread(SemaphoreProblemSolving::safeMethod, "线程2");

        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static void safeMethod() {
        try {
            semaphore.acquire();
            try {
                // 执行关键区域代码
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 在执行");
                Thread.sleep(1000);
            } finally {
                semaphore.release(); // 确保总是释放许可
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

在这段代码中，小黑展示了如何使用try-finally块来确保无论如何都会释放Semaphore的许可。这种方式可以减少由于异常导致的资源耗尽问题。

第7章：与其他并发工具的结合使用

结合CountDownLatch

CountDownLatch是一种同步帮助，它允许一个或多个线程等待其他线程完成一系列操作。在某些场景中，咱们可能需要先用Semaphore控制资源访问，然后使用CountDownLatch来同步多个线程的进度。

结合CyclicBarrier

CyclicBarrier与CountDownLatch类似，但它允许一组线程相互等待，达到一个共同的障碍点再继续执行。这在需要多个线程在某个点同步执行的场景中非常有用。结合Semaphore，可以在达到共同点之前控制线程对资源的访问。

代码示例

让小黑给咱们展示一个结合使用Semaphore和CountDownLatch的例子：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class CombinedSemaphoreCountDownLatch {
    private static final int THREAD_COUNT = 5;
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
    private static final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            new Thread(new Worker(i, semaphore, latch)).start();
        }
        latch.await();  // 等待所有线程完成
        System.out.println("所有线程执行完毕");
    }

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

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

        @Override
        public void run() {
            try {
                semaphore.acquire();
                System.out.println("工人 " + workerNumber + " 正在工作");
                Thread.sleep(1000); // 模拟工作
                semaphore.release();
                latch.countDown(); // 完成工作，计数减一
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }
}

在这个例子中，小黑创建了一个包含5个线程的场景。使用Semaphore来控制同时工作的线程数量，同时使用CountDownLatch来确保所有线程都完成工作后主线程才继续执行。

第8章：总结

• 基本概念：Semaphore是一种基于计数的同步工具，用于控制同时访问特定资源的线程数量。
• 原理理解：Semaphore的实现依赖于AQS（AbstractQueuedSynchronizer），提供了一种机制来管理和控制线程的访问。
• 实际应用：从资源池管理到限流控制，Semaphore在多种场景中都非常有用。
• 高级特性：包括公平性和非公平性的选择，以及对线程中断的响应。
• 问题解决：面对资源耗尽和性能问题，咱们学习了如何妥善处理Semaphore带来的挑战。
• 与其他工具结合：Semaphore能与CountDownLatch、CyclicBarrier等并发工具结合使用，解决更复杂的并发问题。