并发控制利器Semaphore

并发控制利器：Semaphore详解与应用

简介

Semaphore 是Java并发编程中的一个重要工具，用于管理对共享资源的访问权限，确保系统资源不会因过度访问而耗尽。形象地说，Semaphore 可以比喻为交通信号灯，它控制着能够同时进入特定区域（如马路）的车辆数（线程数）。当一定数量的车辆（线程）进入后，其余车辆必须等待，直到有车辆离开，空出“车位”（许可证）为止。在编程中，Semaphore 通过协调线程访问，保证公共资源的合理分配。

应用场景

Semaphore 特别适用于有限资源访问控制的场景，例如数据库连接池管理、文件读写控制等。一个典型示例是数据库连接限制：假设你需要从数万个文件中读取数据，并将其保存至数据库，虽然读取操作（IO密集型）可以并行处理，但数据库连接数有限（例如10个）。此时，Semaphore 可以用来控制仅有10个线程能同时获取数据库连接，避免超出连接池容量。

public class SemaphoreTest {
    private static final int THREAD_COUNT = 30;
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_COUNT);
    private static Semaphore s = new Semaphore(10);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        s.acquire();
                        System.out.println("Saving data...");
                        s.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
}

在这个例子中，尽管启用了30个线程，但最多只有10个线程能够同时执行数据库保存操作，通过 Semaphore(10) 初始化，确保了并发访问的线程数不超过10。

其他方法及实现机制

Semaphore 提供了多个方法来帮助管理资源访问：

• availablePermits()：返回当前可用的许可证数量。
• getQueueLength()：返回等待获取许可证的线程数。
• hasQueuedThreads()：检查是否有线程正在等待许可证。
• reducePermits(int reduction)：减少指定数量的许可证，是一个受保护方法。
• getQueuedThreads()：返回所有等待的线程集合，同样是受保护方法。

Semaphore 的内部实现基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer），利用了CLH队列来管理等待线程。CLH队列是一种FIFO（先进先出）的线程等待队列，当线程尝试获取许可证失败时，会被封装成节点加入到队列中等待。CLH队列的节点结构包含前驱节点和后继节点的引用，以及线程状态等信息，通过这些信息维护线程的等待顺序。

在尝试获取锁的操作中，AQS的acquire() 方法首先尝试快速获取资源，失败则通过addWaiter()方法将当前线程封装成节点并加入队列。此过程体现了CLH队列的结构和等待机制，确保了线程安全且高效地获取和释放资源。

总之，Semaphore 作为一种灵活的并发控制工具，通过限制并发访问的数量，有效管理共享资源，是解决资源竞争和提高系统并发能力的重要手段。