引言
在多線程編程中，控制對共享資源的訪問是一個關鍵問題。Java 提供了多種同步機制來解決這個問題，其中 Semaphore 是一種常用的工具類，用于限制可以同時訪問某個資源的線程數。本文將詳細介紹 Semaphore 的概念、使用方法和實際應用場景。
1. Semaphore 概述
Semaphore 是 java.util.concurrent 包中的一個類，用于控制同時訪問某個特定資源的線程數量。它維護了一組許可（permits），線程在訪問資源前必須先獲得許可，訪問結束后再釋放許可。Semaphore 可以用于實現資源池、限流器等功能。
2. Semaphore 的基本使用
2.1 初始化
Semaphore 可以通過兩種方式進行初始化：
// 初始化一個具有指定許可數量的 Semaphore
Semaphore semaphore = new Semaphore(permits);// 初始化一個具有指定許可數量，并指定是否為公平模式的 Semaphore
Semaphore semaphore = new Semaphore(permits, fair);
permits：初始的許可數量。fair：如果為true，則Semaphore按照 FIFO（先進先出）原則分配許可，否則按照默認的非公平模式。
2.2 主要方法
acquire()：獲取一個許可，如果沒有可用的許可，則阻塞直到有許可可用。acquire(int permits)：獲取指定數量的許可。tryAcquire()：嘗試獲取一個許可，立即返回，不阻塞。tryAcquire(int permits)：嘗試獲取指定數量的許可。release()：釋放一個許可。release(int permits)：釋放指定數量的許可。
3. 示例代碼
以下是一個使用 Semaphore 控制對共享資源訪問的示例代碼，模擬了一個停車場的場景，限制了同時停放的車輛數量。
import java.util.concurrent.Semaphore;public class ParkingLot {private final Semaphore semaphore;public ParkingLot(int slots) {this.semaphore = new Semaphore(slots);}public void parkCar(String carName) {try {System.out.println(carName + " is trying to enter the parking lot.");semaphore.acquire();System.out.println(carName + " has entered the parking lot.");// 模擬停車時間Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {System.out.println(carName + " is leaving the parking lot.");semaphore.release();}}public static void main(String[] args) {final int parkingSlots = 3;final ParkingLot parkingLot = new ParkingLot(parkingSlots);for (int i = 1; i <= 10; i++) {final String carName = "Car-" + i;new Thread(() -> parkingLot.parkCar(carName)).start();}}
}
4. Semaphore 的實際應用場景
- 資源池：控制對有限資源的并發訪問，如數據庫連接池、線程池等。
- 限流器：限制某些操作的并發執行數量，防止過載。
- 多路復用器：實現多路復用機制，控制對多個資源的訪問。
- 同步工具：協調多線程之間的交互，確保按順序訪問某些資源。
5. Semaphore 的優缺點
優點
- 靈活性：可以靈活控制同時訪問資源的線程數量。
- 簡單易用：API 簡單明了，容易理解和使用。
- 公平性：支持公平模式，保證線程按順序獲取許可。
缺點
- 性能開銷：在高并發場景下，頻繁的許可獲取和釋放操作可能帶來一定的性能開銷。
- 死鎖風險：如果許可獲取和釋放操作不正確，可能導致死鎖。
6. Semaphore 的擴展
- 超時機制：
tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)方法可以嘗試在指定時間內獲取許可，如果超時則返回false。 - 多許可控制：
Semaphore可以同時控制多個許可，通過acquire(int permits)和release(int permits)方法進行多許可的獲取和釋放。
結論
Semaphore 是 Java 并發包中一個強大的工具類，用于控制對共享資源的并發訪問。通過使用 Semaphore，可以方便地限制同時訪問某個資源的線程數量，從而實現資源池、限流器等功能。
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