Semaphore解决高并发场景下的有限资源的并发访问问题

news2025/5/21 5:45:41

在高并发编程的领域中，我们常常面临着对有限资源的激烈抢夺问题。而 Java 的 java.util.concurrent 包提供的 Semaphore ，为我们提供了精准控制对有限资源并发访问的强大能力。

一、Semaphore？

Semaphore，直译为 “信号量”，在多线程编程中扮演着至关重要的角色。它允许多个线程按照设定的规则访问某些有限的资源。就像是进入一间只有特定数量座位的会议室，每个线程如同参会人员，想要进入会议室（访问资源），必须先获取相应的许可（信号量）；而当线程使用完资源后，必须释放信号量，以便其他线程能够获取许可进入。

二、Semaphore 的主要方法解读

Semaphore(int permits)：这是 Semaphore 的构造方法，其中的 permits 参数明确表示允许同时访问资源的数量，也就是我们为资源设定的 “准入名额”。例如，在停车场场景中，permits 可以设定为停车场的车位数量。
acquire()：当线程调用此方法时，就如同参会人员向会议组织者申请进入会议室。如果此时有可用的许可证（即有空闲资源），则该线程可以获取许可，同时内部维护的计数器减 1，表示一个资源被占用；若当前没有可用许可证，线程会被无情地阻塞，只能耐心等待，直到有许可证被释放。
release()：线程调用此方法，意味着使用完资源后归还许可证。当调用 release() 时，内部计数器加 1，表示一个资源被释放。如果此时有其他线程正在苦苦等待许可证，那么其中一个等待线程将被幸运地唤醒，获得访问资源的机会。
availablePermits()：这个方法就像一个实时资源状态监视器，它会返回当前可用的许可证数量，让线程随时了解还有多少资源可供使用。
tryAcquire()：线程调用此方法尝试获取一个许可证。与 acquire() 不同的是，如果当前没有许可证可用，它不会傻傻地阻塞线程，而是直接返回 false，给线程提供了一种更灵活的资源获取策略。

三、Semaphore 的核心机制剖析

Semaphore 的核心功能在于通过维护一个计数器来巧妙地控制并发线程的数量。当线程调用 acquire() 时，计数器减 1，表明有一个资源被占用；而当线程调用 release() 时，计数器加 1，意味着一个资源被释放。一旦计数器的值变为 0，后续调用 acquire() 的线程就会被阻塞，只能等待，直到有其他线程释放资源，计数器的值增加，才有机会获取许可，继续执行。

四、停车场场景

为了更直观地理解 Semaphore 在实际场景中的应用，我们来看一个停车场停车的例子。假设停车场只有 2 个车位，车辆会停留一段时间后离开。如何保证同一时刻最多有2辆车停在停车位呢？

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreDemo {
    private static final int CARS = 6;
    // 车位个数，只有两个
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2, true);

    private static void park() {
        for (int i = 1; i <= CARS; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    // 看看有没有空车位
                    if (semaphore.availablePermits() == 0) {
                        System.out.println("第" + finalI + "辆司机，还没有空停车位，继续排队");
                    }
                    // 尝试进入停车位
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println("第" + finalI + "成功进入停车场");
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(10000));
                    System.out.println("第" + finalI + "驶出停车场");
                    // 离开停车场
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            }).start();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        park();
    }
}