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高级java每日一道面试题-2024年12月28日-并发篇-了解Semaphore吗?

article 2025/1/1 10:15:47

如果有遗漏,评论区告诉我进行补充

面试官: 了解Semaphore吗?

我回答:

在Java高级面试中，Semaphore（信号量）是一个重要的并发控制工具，它用于控制同时访问特定资源的线程数量，以确保资源的合理使用。以下是对Semaphore的详细解析：

一、Semaphore的基本概念

Semaphore（信号量）是一种基于计数的同步机制，它允许多个线程同时访问某个资源池，但会限制可以同时访问该资源的线程数量。Semaphore通过维护一个内部计数器来跟踪当前可用的许可数量，当线程需要访问资源时，它会尝试从Semaphore获取一个许可，如果许可可用，则线程可以继续执行；如果许可不可用，则线程将被阻塞，直到有许可被释放为止。

二、Semaphore的使用场景

Semaphore通常用于那些资源有明确访问数量限制的场景，例如：

数据库连接池：同时连接数据库的线程数量有限，当连接数达到限制时，后续的线程需要等待前面的线程释放数据库连接。
停车场管理：停车场的车位数量有限，当车位满时，新的车辆需要等待有空位才能进入。
文件读写：同时允许并发访问某个文件的线程数量有限，以避免文件损坏或数据不一致。
线程池：限制同时运行的任务数量。
资源访问控制：如上面的例子所示，限制对特定资源的并发访问。
流量控制：在网络编程中，可以用来限制同一时间处理的数据包数量。

三、Semaphore的主要方法

Semaphore提供了几个关键的方法来管理许可：

acquire()：获取一个许可，如果没有可用的许可，则当前线程将被阻塞，直到有许可被释放。
tryAcquire()：尝试获取一个许可，如果没有可用的许可，则立即返回false，而不会阻塞当前线程。
release()：释放一个许可，增加可用许可的数量，并可能唤醒一个正在等待许可的线程。
availablePermits()：返回当前可用的许可数量。
drainPermits()：清空所有可用的许可，返回清空前可用的许可数量。
reducePermits(int reduction)：减少可用许可的数量。
increasePermits(int increase)：增加可用许可的数量。

四、Semaphore的实现原理

Semaphore基于AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的共享模式实现。在Semaphore初始化时，会创建一个同步阻塞队列，并将初始的许可数量赋值给队列的state状态。当线程调用acquire方法时，它会尝试从队列中获取一个许可：

如果state的值大于0，表示有可用的许可，线程将获取一个许可，并将state的值减1。
如果state的值为0，表示没有可用的许可，线程将被阻塞，并加入到一个等待队列中。当有其他线程释放许可时，等待队列中的线程将被唤醒，并尝试重新获取许可。

五、Semaphore的示例代码

以下是一个使用Semaphore的示例代码，用于模拟一个停车场的管理系统：

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.Random;

public class TestCar {
    // 停车场同时容纳的车辆数量
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(10);

    public static void main(String[] args) {
        // 模拟100辆车进入停车场
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("====" + Thread.currentThread().getName() + "来到停车场");
                        if (semaphore.availablePermits() == 0) {
                            System.out.println("车位不足，请耐心等待");
                        }
                        semaphore.acquire(); // 获取令牌尝试进入停车场
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "成功进入停车场");
                        Thread.sleep(new Random().nextInt(10000)); // 模拟车辆在停车场停留的时间
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "驶出停车场");
                        semaphore.release(); // 释放令牌，腾出停车场车位
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, i + "号车");
            thread.start();
        }
    }
}