解释Java中的信号量（Semaphore）及其实现细节

什么是信号量（Semaphore）？

信号量是一种用于控制并发访问资源的工具。它可以看作是一个计数器，表示某个资源当前还有多少个“许可证（permit）”可以被线程使用。线程想要访问资源时，先“拿”一个许可证；用完资源后，再“归还”许可证。如果没有可用的许可证，线程就会被阻塞，直到有许可证可用。

可以把它想象成一个公共停车场：

• 停车场有固定数量的停车位（许可证）。
• 当车（线程）进入时，需要占用一个停车位（拿一个许可证）。
• 如果停车位满了（许可证用完了），车就得在外面排队（线程阻塞）。
• 当有车离开时，会释放一个停车位（归还许可证），这样后面的车才能进入。

Java 中的 Semaphore

在 Java 中，Semaphore 是 java.util.concurrent 包下的一个类，用来实现上述信号量功能。它有两种模式：

1. 公平模式：按照线程请求许可证的顺序（FIFO）来分配许可证。
2. 非公平模式（默认）：线程可能会“抢占”许可证，优先级不一定按顺序。

核心方法

1. acquire()：尝试获取一个许可证。如果没有可用的许可证，线程会阻塞，直到有许可证可用。
2. release()：释放一个许可证，把它还回信号量。
3. tryAcquire()：尝试立即获取一个许可证，如果没有可用的许可证，不会阻塞，而是直接返回 false。
4. 构造函数：
   • Semaphore(int permits)：创建一个指定初始许可证数量的信号量。
   • Semaphore(int permits, boolean fair)：在指定许可证数量的基础上，决定是否使用公平模式。

信号量的使用场景

1. 限制资源访问
   如果有多个线程需要访问有限的资源（比如数据库连接池或线程池中的线程），可以用信号量来限制同时访问的线程数量。

2. 实现流量控制
   在高并发场景中，可以用信号量限制每秒处理的请求数量，防止系统过载。

3. 控制多线程任务的执行顺序
   通过信号量，可以让某些线程等待其他线程完成某个任务后再继续执行。

Semaphore 的实现细节

1. 许可证的管理

Semaphore 的核心是一个计数器（permits），表示当前可用的许可证数量。这个计数器的初始值由构造函数指定。

• 每次调用 acquire() 时，计数器会减 1。
• 每次调用 release() 时，计数器会加 1。

计数器的值可能为：

• 正数：表示还有足够的许可证可用。
• 零：表示许可证用完了，线程需要等待。
• 负数：不会出现，因为线程会阻塞直到许可证可用。

2. 底层依赖 AQS

Semaphore 的底层实现依赖于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS），这是 Java 并发包中一个非常重要的工具类，用来管理线程的同步状态和阻塞队列。

• 状态变量：AQS 的状态变量用来表示当前的许可证数量。
• 线程等待队列：当许可证不足时，线程会被放入 AQS 的等待队列中，直到有线程调用 release() 释放许可证。

3. 公平与非公平模式

• 非公平模式（默认）：线程可能会“抢占”许可证，即使有其他线程已经在等待队列中排队。这样可以提高整体吞吐量。
• 公平模式：线程会严格按照请求的顺序获取许可证，先到先得。这种模式的性能可能会稍微差一些，因为需要更多的线程调度。

4. 阻塞与唤醒

• 当线程调用 acquire() 时，如果没有可用许可证，线程会进入等待状态（阻塞）。
• 当另一个线程调用 release() 时，信号量会唤醒等待队列中的一个线程，让它重新尝试获取许可证。

5. 可重入性

Semaphore 本身不是可重入的。也就是说，如果一个线程多次调用 acquire()，它需要多次调用 release() 才能释放所有的许可证。

示例场景：停车场模型

假设有一个停车场，最多只能容纳 3 辆车（许可证数量为 3）。多个线程模拟车辆尝试进入停车场。

• 当停车位有空余时，车辆直接进入。
• 如果停车位满了，车辆必须等待。
• 当有车辆离开时，停车位变空，等待的车辆可以进入。

使用 Semaphore，可以轻松实现这种逻辑。

总结

1. Semaphore 是什么？
   它是一种计数器，用来限制同时访问某个资源的线程数量。

2. 如何工作？

   • 线程调用 acquire() 获取许可证，计数器减 1。如果没有可用的许可证，线程会阻塞。
   • 线程调用 release() 归还许可证，计数器加 1，唤醒等待的线程。

3. 适用场景

   • 限制资源的并发访问（如数据库连接池）。
   • 流量控制（如限制同时处理的请求数）。
   • 控制线程执行顺序。

4. 底层实现

   • 基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。
   • 许可证数量通过 AQS 的状态变量管理。
   • 公平与非公平模式决定许可证分配的策略。