Semaphore解决高并发场景下的有限资源的并发访问问题

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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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();}
}

我们首先定义了 CARS 常量，表示有 6 辆车。同时创建了一个 Semaphore 对象 semaphore，并通过构造函数设定其初始许可数量为 2，且设置为公平模式（true），这意味着等待时间最长的线程将优先获得许可。

在 park() 方法中，我们启动了 6 个线程来模拟 6 辆车。每个线程在尝试获取许可证前，先通过 availablePermits() 方法查看是否有空余车位。如果没有，就打印提示信息表示继续排队。然后调用 acquire() 方法尝试获取许可进入停车场。

一旦成功进入，车辆会随机停留一段时间（通过 Thread.sleep 模拟），之后调用 release() 方法释放许可证，表示车辆驶出停车场。

通过这个例子，我们可以清晰地看到 Semaphore 如何有效地控制对有限资源（停车位）的并发访问，确保在任何时刻，停车场内的车辆数量都不会超过其容量。

在高并发编程中，Semaphore 是一个强大而实用的工具，能够帮助我们优雅地解决资源竞争问题。