并发编程Semaphore（信号量）浅析

一、简介

Semaphore（信号量）是 Java 中用于控制同时访问特定资源的线程数量的工具类。Semaphore 维护了一组许可证，线程在访问资源之前必须先获取许可证，访问完毕后再释放许可证，从而限制同时访问资源的线程数量。

Semaphore 主要包括两个核心方法：

acquire(): 当一个线程希望访问资源时，调用 acquire() 方法来获取一个许可证。如果当前没有可用的许可证，线程将被阻塞，直到有可用的许可证为止。
release(): 当一个线程访问资源完毕后，调用 release() 方法来释放一个许可证，使其他等待许可证的线程可以继续执行。

除了上述方法外，Semaphore 还提供了一些其他方法来获取当前可用的许可证数量、设置初始许可证数量等。

二、API

非公平
public Semaphore(int permits);//permits就是允许同时运行的线程数目
公平
public Semaphore(int permits,boolean fair);//permits就是允许同时运行的线程数目,fair=true代表公平
创建一个信号量
Semaphore semaphore = new Semaphore(int permits);
从信号量中获取一个许可
semaphore.acquire();
释放一个许可(在释放许可之前，必须先获获得许可。)
semaphore.release();
尝试获取一个许可，若获取成功返回true，若获取失败返回false
semaphore.tryAcquire();

// 创建具有给定的许可数和非公平的公平设置的 Semaphore。
Semaphore(int permits)
// 创建具有给定的许可数和给定的公平设置的 Semaphore。
Semaphore(int permits, boolean fair)
// 从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
void acquire()
// 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞，或者线程已被中断。
void acquire(int permits)
// 从此信号量中获取许可，在有可用的许可前将其阻塞。
void acquireUninterruptibly()
// 从此信号量获取给定数目的许可，在提供这些许可前一直将线程阻塞。
void acquireUninterruptibly(int permits)
// 返回此信号量中当前可用的许可数。
int availablePermits()
// 获取并返回立即可用的所有许可。
int drainPermits()
// 返回一个 collection，包含可能等待获取的线程。
protected Collection< Thread> getQueuedThreads()
// 返回正在等待获取的线程的估计数目。
int getQueueLength()
// 查询是否有线程正在等待获取。
boolean hasQueuedThreads()
// 如果此信号量的公平设置为 true，则返回 true。
boolean isFair()
// 根据指定的缩减量减小可用许可的数目。
protected void reducePermits(int reduction)
// 释放一个许可，将其返回给信号量。
void release()
// 释放给定数目的许可，将其返回到信号量。
void release(int permits)
// 返回标识此信号量的字符串，以及信号量的状态。
String toString()
// 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。
boolean tryAcquire()
// 仅在调用时此信号量中有给定数目的许可时，才从此信号量中获取这些许可。
boolean tryAcquire(int permits)
// 如果在给定的等待时间内此信号量有可用的所有许可，并且当前线程未被中断，则从此信号量获取给定数目的许可。
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
// 如果在给定的等待时间内，此信号量有可用的许可并且当前线程未被中断，则从此信号量获取一个许可。
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)

三、使用

3.1 demo1

简单的示例代码，演示了如何使用 Semaphore：

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2); // 初始化一个许可证数量为2的 Semaphore

        // 创建多个线程尝试获取许可证
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            final int threadId = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("Thread " + threadId + " acquired the permit.");
                    Thread.sleep(2000); // 模拟线程在访问资源
                    semaphore.release();
                    System.out.println("Thread " + threadId + " released the permit.");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

输出：呃，只看到了获取和释放信号量，好像并不能看出同时运行的线程数。
在这里插入图片描述

3.1 demo2

假设有30个人在超市支付结算，只有3个结算窗口，代码实现逻辑如下

    public static void test3() {
        // 排队总人数（请求总数）
        int clientTotal = 30;
        // 可同时结算商品的窗口数量（同时并发执行的线程数）
        int threadTotal = 3;

        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            final int count = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire(1);
                    payment(count);
                    semaphore.release(1);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
      	    executorService.shutdown();
    }

    private static void payment(int i) throws InterruptedException {
        SimpleDateFormat formatter = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss z");
        Date date = new Date(System.currentTimeMillis());
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 支付结算中" + formatter.format(date));
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

输出：明显看到同一时间三个线程在运行，并且间隔两秒释放信号量。
在这里插入图片描述

四、适用场景

Semaphore 可以用于多种场景，例如：

连接池管理：在数据库连接池、线程池等资源池中，可以使用 Semaphore 来限制同时获取资源的线程数量，避免资源被过度占用。
并发访问控制：在多线程环境下，可以使用 Semaphore 控制同时访问共享资源的线程数量，确保线程安全性。
流量控制：在网络编程中，可以使用 Semaphore 来控制并发访问量，限制系统的并发连接数，防止系统被过度请求压垮。
生产者-消费者模式：在生产者-消费者模式中，可以使用 Semaphore 来控制生产者和消费者之间的同步，确保生产者和消费者之间的协调工作。
限流控制：在微服务架构中，可以使用 Semaphore 控制服务之间的调用频率，避免某个服务被过度调用而导致系统崩溃。
任务调度控制：在任务调度系统中，可以使用 Semaphore 控制同时执行的任务数量，避免系统资源被过度占用。
缓存控制：在缓存系统中，可以使用 Semaphore 控制对缓存的并发访问，避免缓存击穿和缓存雪崩等问题。