Java并发编程Semaphore计数信号量详解

介绍

Semaphore（信号量）是一个经典的并发编程工具，被广泛应用于各种应用场景，如资源池、限流等。Semaphore 给予我们对并发调度这个宏观的掌控权。

在 Java 5 中，Semaphore 正式被纳入了 Java 并发包，并成为了并发编程中一个必不可少的类。Semaphore 是一个计数信号量，它可以限制同时访问某个资源或者某段代码的线程数量。Semaphore 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，以保证合理地使用资源。

使用

创建 Semaphore

Semaphore 的创建非常简单，只需要指定信号量的许可数量即可完成。

Semaphore semaphore = new Semaphore(1); // Semaphore 许可数为1

创建一个 Semaphore 实例后，就可以进行 acquire 和 release 操作了。

acquire

acquire（获取许可）方法：当一个线程调用 acquire 操作时，它要么通过获取许可成功获取 Semaphore 许可证，要么一直等下去，直到有许可证可用。Semaphore 有一个许可计数，每调用一次 acquire() 方法许可计数减一，如果计数为零，那么将会等待其他线程释放许可证。

public void acquire() throws InterruptedException
public void acquire(int permits) throws InterruptedException

release

release（释放许可）方法：每调用一次 release() 方法许可证计数加一，然后释放该许可证，以使其可用于其他等待信号量许可证的线程。如果有任何线程试图获取一个许可证，一个释放的许可证将会使它得到许可证，即释放许可证的线程不一定是同一个会获取许可证的线程。

public void release()
public void release(int permits)

示例1

场景：多个线程访问某个资源，但同时只允许两个线程访问。

public class AccessResource {
    public static void main(String[] args) {
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable runnable = () -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " access the resource");
                    Thread.sleep(2000);
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            };
            executorService.execute(runnable);
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

在上述代码中，创建了一个 Semaphore，许可数量为 2，表示同一时间只有两个线程能够访问资源。然后创建线程池并执行任务。每个任务对Semaphore进行 acquire 和 release 操作，确保同一时间最多只有两个线程能够访问该资源。

示例2

场景：通过 Semaphore 实现简单的限流。

public class RateLimit {
    public static void main(String[] args) {
        RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Runnable runnable = () -> {
                if (rateLimiter.tryAcquire()) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get the access");
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " rate limit");
                }
            };
            executorService.execute(runnable);
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

在上述代码中，使用了一个叫做 RateLimiter 的开源框架实现了限流功能。在使用中通过 Semaphore 控制许可数量，调用 tryAcquire 方法尝试获取许可，如果获取到了就可以进行操作，否则就是限流操作。

总结

Semaphore 是非常常用的工具类，可以方便地实现对资源的控制和访问。需要注意 Semaphore 计数语义和其中与 Mutex 和 ReentrantLock 比较相似的 tryAcquire 方法存在的区别。