當(dāng)在多線(xiàn)程運(yùn)行的場(chǎng)景，部分共享資源會(huì)存在資源的沖突和競(jìng)爭(zhēng)，為了改善資源使用的方式，是否可以通過(guò)控制某個(gè)方法允許并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)線(xiàn)程的數(shù)量？

如下圖所示：

Semaphore可以有效的緩解這個(gè)問(wèn)題。

1、Semaphore類(lèi)

在jdk中提供了一個(gè)Semaphore類(lèi)（信號(hào)量）

它提供了兩個(gè)方法:

• semaphore.acquire() 請(qǐng)求信號(hào)量，可以限制線(xiàn)程的個(gè)數(shù)，是一個(gè)正數(shù)，如果信號(hào)量是-1,就代表已經(jīng)用完了信號(hào)量，其他線(xiàn)程需要阻塞了。
• 第二個(gè)方法是semaphore.release()，代表是釋放一個(gè)信號(hào)量，此時(shí)信號(hào)量的個(gè)數(shù)+1。

2、基本概念

2.1、信號(hào)量

Semaphore 維護(hù)了一個(gè)計(jì)數(shù)器（許可的數(shù)量），表示可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)資源的線(xiàn)程數(shù)量。線(xiàn)程通過(guò)申請(qǐng)?jiān)S可來(lái)訪(fǎng)問(wèn)資源。

2.2、計(jì)數(shù)器

信號(hào)量的計(jì)數(shù)器可以被設(shè)置為一個(gè)初始值，該值表示許可的數(shù)量。每當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程獲取許可時(shí)，計(jì)數(shù)器減一；當(dāng)釋放許可時(shí)，計(jì)數(shù)器加一。

2.3、公平性

Semaphore 可以配置為公平或非公平。公平的信號(hào)量遵循 FIFO（先入先出）原則，非公平信號(hào)量則不保證獲取的順序。

代碼示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest {

    public static void main(String[] args) {
        final DatabaseConnectionPool pool = new DatabaseConnectionPool(3);

        // 創(chuàng)建多個(gè)線(xiàn)程以模擬數(shù)據(jù)庫(kù)連接
        Thread thread1 = new Thread(() -> pool.connect("Thread 1"));
        Thread thread2 = new Thread(() -> pool.connect("Thread 2"));
        Thread thread3 = new Thread(() -> pool.connect("Thread 3"));
        Thread thread4 = new Thread(() -> pool.connect("Thread 4"));
        Thread thread5 = new Thread(() -> pool.connect("Thread 5"));


        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
        thread5.start();

    }
}


class DatabaseConnectionPool{
    private final Semaphore semaphore;

    DatabaseConnectionPool(int maxConnections) {
        this.semaphore = new Semaphore(maxConnections,true);
    }

    public void connect(String threadName) {
        try {
            System.out.println(threadName + " is trying to connect.");
            // 獲取許可
            semaphore.acquire();
            System.out.println(threadName + " has connected to the database.");
            // 模擬使用連接
            Thread.sleep(5000); // 模擬數(shù)據(jù)庫(kù)操作
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 釋放許可
            System.out.println(threadName + " is releasing the connection.");
            semaphore.release();
        }
    }
}

代碼解析

1.Semaphore 的創(chuàng)建：

public DatabaseConnectionPool(int maxConnections) {
    this.semaphore = new Semaphore(maxConnections);
}

通過(guò)指定最大連接數(shù)來(lái)初始化信號(hào)量。

2.獲取連接

semaphore.acquire();

線(xiàn)程嘗試獲取信號(hào)量的許可，如果沒(méi)有可用的許可，則該線(xiàn)程會(huì)被阻塞，直到有許可可用。

3.釋放連接

semaphore.release();

訪(fǎng)問(wèn)完成后，線(xiàn)程釋放許可，讓其他線(xiàn)程能夠訪(fǎng)問(wèn)。

多線(xiàn)程模擬：

使用多個(gè)線(xiàn)程來(lái)模擬多個(gè)連接請(qǐng)求，只有 3 個(gè)線(xiàn)程能同時(shí)獲取許可。

3、使用場(chǎng)景

• 控制并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)某些資源，例如數(shù)據(jù)庫(kù)連接、文件句柄等。
• 限制同時(shí)執(zhí)行的線(xiàn)程數(shù)量，以避免系統(tǒng)負(fù)載過(guò)大。

4、死鎖

死鎖是一種情況，其中兩個(gè)或多個(gè)線(xiàn)程永遠(yuǎn)互相等待對(duì)方釋放資源，從而導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。

了解更多死鎖知識(shí)，可參考：有關(guān)Java死鎖和活鎖的聯(lián)系

4.1、條件

1. 互斥條件：至少有一個(gè)資源處于非共享模式，即某一時(shí)刻只能被一個(gè)線(xiàn)程使用。
2. 保持并等待條件：一個(gè)線(xiàn)程保持至少一個(gè)資源并等待其他被其他線(xiàn)程占用的資源。
3. 不剝奪條件：資源不能被強(qiáng)行奪走，只能由持有該資源的線(xiàn)程釋放。
4. 循環(huán)等待條件：存在一個(gè)線(xiàn)程的集合，使得每個(gè)線(xiàn)程都在等待下一個(gè)線(xiàn)程持有的資源。

4.2、解決策略

• 資源順序申請(qǐng)：確保所有線(xiàn)程按照相同的順序請(qǐng)求多個(gè)資源，這樣可以避免循環(huán)等待。
• 設(shè)置超時(shí)：在請(qǐng)求資源時(shí)設(shè)置超時(shí)，如果請(qǐng)求在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有成功，線(xiàn)程應(yīng)該釋放它已持有的資源，有可能中斷互斥條件。
• 使用 tryLock 和 tryAcquire：可使用 Lock 和 Semaphore 的嘗試獲取方法，在未能成功獲取時(shí)，可以做適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理或重試，而不是靜默等待。
• 避免持有狀態(tài)：盡量避免在一個(gè)線(xiàn)程中持有多個(gè)鎖，或者隔離資源，以減少死鎖風(fēng)險(xiǎn)。

4.3、聯(lián)系

雖然 Semaphore 可以在某種情況下幫助減少發(fā)生死鎖的機(jī)會(huì)，但它并不是解決死鎖問(wèn)題的直接手段。

Semaphore 控制訪(fǎng)問(wèn)的方式可以導(dǎo)致某些設(shè)計(jì)上的改善，例如：

1. 限制資源的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)：Semaphore 可用于限制可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)某種資源的線(xiàn)程數(shù)量，從而減少?gòu)?fù)雜的資源使用模式。
2. 避免持有過(guò)多的鎖：通過(guò)合理設(shè)計(jì)線(xiàn)程的資源申請(qǐng)和釋放邏輯，結(jié)合 Semaphore，可以減少因線(xiàn)程在持有多個(gè)資源時(shí)發(fā)生互斥和等待的可能性。

總結(jié)

Semaphore 是一個(gè)非常有用的并發(fā)控制工具，可以有效地控制對(duì)共享資源的訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)合理使用它，可以避免過(guò)多線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)相同資源造成的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，從而提高并發(fā)程序的安全性和效率。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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