Java并发编程之工具类Semaphore的使用

接下来我将详细讲解Java并发编程中Semaphore工具类的使用。

Semaphore介绍

Semaphore是一种计数信号量，它可以用来控制同时访问某个特定资源的线程数量。 对于使用Semaphore的程序来说，如果控制的资源达到上限，请求资源的线程就会被阻塞。

Semaphore可以看做是一种更高级别的锁，它能够限制同时访问共享资源的线程数量。相比于锁，Semaphore能够更好地支持多线程并发访问，可以更细粒度地控制线程的访问顺序。

Semaphore有两个核心方法，acquire和release。其中acquire用于请求资源，如果资源不可用，线程就会被阻塞。release则用于释放资源。初始化Semaphore实例时需要传入资源个数，Semaphore会根据资源个数决定可以同时访问该资源的线程数量。

Semaphore使用示例

下面我们来看两个使用Semaphore的示例。

示例1：实现限流器

Semaphore的一个常见使用场景是实现限流器。限流器可以控制系统的请求量，也能够防止系统被恶意攻击。例如，在一些API接口返回结果前，我们需要控制每秒钟最多请求多少次API，同一个IP不能请求太频繁。

下面是一个实现限流器的示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class RateLimiter {
  private Semaphore semaphore;

  public RateLimiter(int permitsPerSecond) {
    // 每秒生成 permitsPerSecond 个令牌
    semaphore = new Semaphore(permitsPerSecond);
  }

  // 请求资源
  public void acquire() throws InterruptedException {
    semaphore.acquire();
  }

  // 释放资源
  public void release() {
    semaphore.release();
  }
}

在这个示例中，我们创建了一个RateLimiter类，它封装了Semaphore实例。RateLimiter的构造函数需要输入每秒钟生成令牌的个数。在请求资源时，我们使用Semaphore的acquire方法获取令牌。如果没有令牌可以获取，线程就会被阻塞。在释放资源时，我们使用Semaphore的release方法来释放令牌，该令牌就可以被其他线程获取。

示例2：厕所排队

下面我们来看另一个示例，通过Semaphore来模拟厕所排队的场景。假设有5个人需要使用厕所，但是厕所只有2个位置。通过Semaphore来控制同时进入厕所的人数，实现厕所排队的功能。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Toilet {
  private Semaphore semaphore;

  public Toilet(int limit) {
    semaphore = new Semaphore(limit);
  }

  public void use() throws InterruptedException {
    semaphore.acquire();
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入厕所，剩余位置：" + semaphore.availablePermits());
    Thread.sleep(2000); // 使用一段时间
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开厕所，剩余位置：" + semaphore.availablePermits());
    semaphore.release();
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Toilet toilet = new Toilet(2);

    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
      new Thread(() -> {
        try {
          toilet.use();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }, "User" + i).start();
    }
  }
}

在这个示例中，我们创建了一个Toilet类，它封装了Semaphore实例，并且有一个use方法，代表使用厕所的过程。在use方法中，我们先使用Semaphore的acquire方法申请进入厕所。如果已经没有位置，线程就会被阻塞。当进入厕所后，我们使用Thread.sleep方法来让使用时间长一些。最后我们使用Semaphore的release方法离开厕所。

在main函数中，我们创建了5个线程来模拟5个人同时排队进入厕所。在创建Toilet实例时，我们限制了厕所的最大容纳人数为2，使用Semaphore来控制同时在厕所内的人数。

结论

通过上面的两个示例，我们发现Semaphore在控制多线程并发访问时非常有用。Semaphore可以限制线程的访问数量，从而保证异步程序的正确性和性能。Semaphore是Java并发编程中非常常用的一种工具类，建议大家掌握。