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多线程并发控制工具Semaphore的使用详解

2025-05-13 10:27:49 作者：找不到、了

这篇文章主要介绍了多线程并发控制工具Semaphore的使用,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教

当在多线程运行的场景，部分共享资源会存在资源的冲突和竞争，为了改善资源使用的方式，是否可以通过控制某个方法允许并发访问线程的数量？

如下图所示：

Semaphore可以有效的缓解这个问题。

1、Semaphore类

在jdk中提供了一个Semaphore类（信号量）

它提供了两个方法:

semaphore.acquire() 请求信号量，可以限制线程的个数，是一个正数，如果信号量是-1,就代表已经用完了信号量，其他线程需要阻塞了。
第二个方法是semaphore.release()，代表是释放一个信号量，此时信号量的个数+1。

2、基本概念

2.1、信号量

Semaphore 维护了一个计数器（许可的数量），表示可以同时访问某个资源的线程数量。线程通过申请许可来访问资源。

2.2、计数器

信号量的计数器可以被设置为一个初始值，该值表示许可的数量。每当一个线程获取许可时，计数器减一；当释放许可时，计数器加一。

2.3、公平性

Semaphore 可以配置为公平或非公平。公平的信号量遵循 FIFO（先入先出）原则，非公平信号量则不保证获取的顺序。

代码示例：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreTest {

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

        // 创建多个线程以模拟数据库连接
        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.");
            // 获取许可
            semaphore.acquire();
            System.out.println(threadName + " has connected to the database.");
            // 模拟使用连接
            Thread.sleep(5000); // 模拟数据库操作
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 释放许可
            System.out.println(threadName + " is releasing the connection.");
            semaphore.release();
        }
    }
}

代码解析

1.Semaphore 的创建：

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

通过指定最大连接数来初始化信号量。

2.获取连接

semaphore.acquire();

线程尝试获取信号量的许可，如果没有可用的许可，则该线程会被阻塞，直到有许可可用。

3.释放连接

semaphore.release();

访问完成后，线程释放许可，让其他线程能够访问。

多线程模拟：

使用多个线程来模拟多个连接请求，只有 3 个线程能同时获取许可。

3、使用场景

控制并发访问某些资源，例如数据库连接、文件句柄等。
限制同时执行的线程数量，以避免系统负载过大。

4、死锁

死锁是一种情况，其中两个或多个线程永远互相等待对方释放资源，从而导致程序无法继续执行。

了解更多死锁知识，可参考：有关Java死锁和活锁的联系

4.1、条件

互斥条件：至少有一个资源处于非共享模式，即某一时刻只能被一个线程使用。
保持并等待条件：一个线程保持至少一个资源并等待其他被其他线程占用的资源。
不剥夺条件：资源不能被强行夺走，只能由持有该资源的线程释放。
循环等待条件：存在一个线程的集合，使得每个线程都在等待下一个线程持有的资源。

4.2、解决策略

资源顺序申请：确保所有线程按照相同的顺序请求多个资源，这样可以避免循环等待。
设置超时：在请求资源时设置超时，如果请求在一定时间内没有成功，线程应该释放它已持有的资源，有可能中断互斥条件。
使用 tryLock 和 tryAcquire：可使用 Lock 和 Semaphore 的尝试获取方法，在未能成功获取时，可以做适当的错误处理或重试，而不是静默等待。
避免持有状态：尽量避免在一个线程中持有多个锁，或者隔离资源，以减少死锁风险。

4.3、联系

虽然 Semaphore 可以在某种情况下帮助减少发生死锁的机会，但它并不是解决死锁问题的直接手段。

Semaphore 控制访问的方式可以导致某些设计上的改善，例如：

限制资源的同时访问：Semaphore 可用于限制可同时访问某种资源的线程数量，从而减少复杂的资源使用模式。
避免持有过多的锁：通过合理设计线程的资源申请和释放逻辑，结合 Semaphore，可以减少因线程在持有多个资源时发生互斥和等待的可能性。

总结

Semaphore 是一个非常有用的并发控制工具，可以有效地控制对共享资源的访问。通过合理使用它，可以避免过多线程同时访问相同资源造成的竞争和冲突，从而提高并发程序的安全性和效率。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。