Java 中的信号量是一种同步辅助工具,它限制在任何给定时间可以访问共享资源的线程数量。它是 java.util.concurrent 包的一部分,用于管理对资源(例如文件、数据库或网络连接)的并发访问。
信号量控制对一定数量的许可的访问。每个许可证代表访问特定资源的权利。信号量跟踪可用许可的数量,这决定了有多少线程可以同时访问资源。
Permit :允许线程继续访问共享资源的令牌或票证。
创建信号量时,您指定可用的许可证数量。该数字定义了有多少线程可以同时访问资源。
在线程可以访问资源之前,它必须获得信号量的许可。这是使用 acquire() 方法完成的。
Acquire :当线程想要访问资源时调用此方法。如果许可证可用,则信号量会减少可用许可证的数量并允许线程继续进行。如果没有可用的许可,则该线程将被阻塞,直到有可用的许可为止。
阻塞行为:如果没有可用的许可,调用 acquire() 的线程将被阻塞(即,它将等待),直到另一个线程释放许可。
一旦线程使用完资源,它应该释放许可证以使其可供其他线程使用。这是使用 release() 方法完成的。
Release :此方法会增加可用许可证的数量。如果有任何线程正在等待许可,则其中一个线程将被解除阻塞并允许获取许可。
Java中有两种类型的信号量:
为了更好地理解信号量的工作原理,让我们看一下实际的实现。我们将创建一个简单的场景,其中多个线程尝试访问有限的资源。
import java.util.concurrent.Semaphore; public class SemaphoreDemo { // Creating a semaphore with 3 permits private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3); public static void main(String[] args) { // Creating and starting 6 threads for (int i = 1; i <= 6; i++) { new WorkerThread("Worker " + i).start(); } } static class WorkerThread extends Thread { private String name; WorkerThread(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { try { System.out.println(name + " is trying to acquire a permit..."); // Acquiring the semaphore semaphore.acquire(); System.out.println(name + " acquired a permit."); // Simulating work by sleeping Thread.sleep(2000); System.out.println(name + " is releasing a permit."); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { // Releasing the semaphore semaphore.release(); } } } }
在此示例中,我们创建了一个具有三个许可的信号量,这意味着在任何给定时间只有三个线程可以访问代码的关键部分。然后我们创建六个线程,所有线程都尝试获取许可。一旦线程获得许可,它就会在释放许可之前通过休眠两秒钟来模拟某些工作。
运行上面的代码时,输出将如下所示:
Worker 1 is trying to acquire a permit... Worker 1 acquired a permit. Worker 2 is trying to acquire a permit... Worker 2 acquired a permit. Worker 3 is trying to acquire a permit... Worker 3 acquired a permit. Worker 4 is trying to acquire a permit... Worker 5 is trying to acquire a permit... Worker 6 is trying to acquire a permit... Worker 1 is releasing a permit. Worker 4 acquired a permit. Worker 2 is releasing a permit. Worker 5 acquired a permit. Worker 3 is releasing a permit. Worker 6 acquired a permit.
这里,前三个线程成功获取许可并开始执行任务。其余线程必须等待许可证被释放后才能继续。
信号量在需要限制对特定资源的并发访问数量的场景中特别有用,例如:
虽然信号量是一个强大的工具,但它们也有自己的优点和缺点。
灵活性:信号量允许精确控制多个线程的资源访问。
可扩展性:信号量可以轻松管理对大量资源的访问。
公平性 :可以配置信号量以确保线程以公平的方式获取许可。
复杂性:使用信号量会给代码带来复杂性,使得调试变得更加困难。
死锁:如果处理不当,信号量可能会导致死锁,线程无限期地阻塞等待许可。
为了避免常见陷阱并充分利用信号量,请考虑以下最佳实践:
您可以使用 tryAcquire() 来尝试获取超时许可,而不是使用无限期阻塞的 acquire() 。这可以防止线程陷入等待状态。
import java.util.concurrent.Semaphore; public class SemaphoreDemo { // Creating a semaphore with 3 permits private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3); public static void main(String[] args) { // Creating and starting 6 threads for (int i = 1; i <= 6; i++) { new WorkerThread("Worker " + i).start(); } } static class WorkerThread extends Thread { private String name; WorkerThread(String name) { this.name = name; } @Override public void run() { try { System.out.println(name + " is trying to acquire a permit..."); // Acquiring the semaphore semaphore.acquire(); System.out.println(name + " acquired a permit."); // Simulating work by sleeping Thread.sleep(2000); System.out.println(name + " is releasing a permit."); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { // Releasing the semaphore semaphore.release(); } } } }
为了避免资源泄漏,请始终在 finally 块中释放许可证。这确保即使发生异常也能释放许可证。
如果您只需要为单个线程锁定和解锁资源,请考虑使用ReentrantLock或synchronized而不是二进制信号量。
信号量是 Java 中管理并发的强大工具,允许您控制访问共享资源的线程数量。通过遵循本文中概述的技术和最佳实践,您可以在 Java 应用程序中有效地实现信号量,以确保安全高效的资源管理。
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