Semaphore 类的作用是什么？请举例说明

八股文_Java并发基础题 0 1

参考回答

Semaphore 是 Java 并发包中用于控制同时访问某个资源的线程数量的类。它提供了一个计数信号量，允许一组线程以受限的方式访问共享资源，确保资源不会被过多线程同时使用。通过 Semaphore，可以实现线程的流量控制。

详细讲解与拓展

1. Semaphore 的作用

限制并发访问数量：Semaphore 是一种计数器，用来限制能够同时访问某个资源的线程数量。
实现许可证模型：
- 每个线程在访问资源前，需要从 Semaphore 中获取一个许可（通过调用 acquire()）。
使用完资源后，线程需要释放许可（通过调用 release()）。

2. Semaphore 的构造方法

Semaphore(int permits)：创建一个信号量，指定最多允许的许可数量。
Semaphore(int permits, boolean fair)：
- 如果 fair 参数为 true，信号量会以公平的方式分配许可（按照线程请求的先后顺序）。
- 如果 fair 参数为 false（默认），可能会出现“抢占”现象。

3. Semaphore 的常用方法

acquire()：获取一个许可，如果当前没有许可可用，则线程阻塞。
release()：释放一个许可，将其归还给信号量。
tryAcquire()：尝试获取一个许可，如果没有许可可用，立即返回 false。
availablePermits()：返回当前可用的许可数量。

4. 示例程序

场景：限制对打印机的并发访问

假设有 3 台打印机，但有多个线程需要使用打印机。通过 Semaphore 限制最多只有 3 个线程能够同时访问打印机。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个信号量，最多允许 3 个线程同时访问
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        // 创建并启动 6 个线程
        for (int i = 1; i <= 6; i++) {
            new Thread(new PrinterTask(semaphore, "Thread-" + i)).start();
        }
    }
}

class PrinterTask implements Runnable {
    private Semaphore semaphore;
    private String threadName;

    public PrinterTask(Semaphore semaphore, String threadName) {
        this.semaphore = semaphore;
        this.threadName = threadName;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(threadName + " is waiting for a printer...");
            semaphore.acquire(); // 获取许可，可能会阻塞
            System.out.println(threadName + " is using a printer...");
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 3000)); // 模拟打印时间
            System.out.println(threadName + " is done printing.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(); // 释放许可
            System.out.println(threadName + " released a printer.");
        }
    }
}

运行结果（示例）

输出顺序可能因线程调度不同而变化：

Thread-1 is waiting for a printer...
Thread-2 is waiting for a printer...
Thread-3 is waiting for a printer...
Thread-1 is using a printer...
Thread-2 is using a printer...
Thread-3 is using a printer...
Thread-4 is waiting for a printer...
Thread-5 is waiting for a printer...
Thread-6 is waiting for a printer...
Thread-1 is done printing.
Thread-1 released a printer.
Thread-4 is using a printer...
Thread-2 is done printing.
Thread-2 released a printer.
Thread-5 is using a printer...
Thread-3 is done printing.
Thread-3 released a printer.
Thread-6 is using a printer...
Thread-4 is done printing.
Thread-4 released a printer.
Thread-5 is done printing.
Thread-5 released a printer.
Thread-6 is done printing.
Thread-6 released a printer.

5. 代码解析

信号量限制并发访问数量：
- Semaphore semaphore = new Semaphore(3);：创建一个最多允许 3 个线程同时访问的信号量。
- 超过 3 个的线程会阻塞，直到有线程释放许可。
线程之间的协作：
- 当线程调用 semaphore.acquire() 时，如果没有可用许可，则线程阻塞。
- 当线程调用 semaphore.release() 时，归还许可，其他阻塞的线程会被唤醒。
资源分配的灵活性：
- 我们可以根据资源数量调整信号量的初始许可数。

6. 扩展：公平信号量

默认情况下，信号量是非公平的，即等待线程可能会被随机唤醒。如果需要按线程请求许可的顺序唤醒，可以使用公平信号量：

Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true); // 创建一个公平信号量

公平信号量会按照线程的调用顺序唤醒阻塞线程，适合需要严格控制访问顺序的场景。

7. 应用场景

连接池：控制线程获取数据库连接的数量，避免连接池耗尽。
流量控制：限制同时访问某个服务的线程数量，例如限流。
多线程资源共享：控制对文件、打印机等共享资源的访问。