使用信號量管理 Java 並發的技術

1. Java中的信號量是什麼？

Java 中的信號量是一種同步輔助工具，它限制在任何給定時間可以存取共享資源的執行緒數量。它是 java.util.concurrent 套件的一部分，用於管理對資源（例如檔案、資料庫或網路連接）的並發存取。

1.1 信號量如何運作？

信號量控制對一定數量的許可的存取。每個許可證代表存取特定資源的權利。信號量追蹤可用許可的數量，這決定了有多少執行緒可以同時存取資源。

Permit ：允許執行緒繼續存取共享資源的令牌或票證。

建立信號量時，您指定可用的許可證數量。該數字定義了有多少執行緒可以同時存取資源。

在執行緒可以存取資源之前，它必須獲得信號量的許可。這是使用 acquire() 方法完成的。

Acquire ：當執行緒想要存取資源時呼叫此方法。如果許可證可用，則信號量會減少可用許可證的數量並允許執行緒繼續進行。如果沒有可用的許可，則該執行緒將被阻塞，直到有可用的許可為止。

阻塞行為：如果沒有可用的許可，調用 acquire() 的線程將被阻塞（即，它將等待），直到另一個線程釋放許可。

一旦執行緒使用完資源，它應該釋放許可證以使其可供其他執行緒使用。這是使用 release() 方法完成的。

Release ：此方法會增加可用許可證的數量。如果有任何執行緒正在等待許可，則其中一個執行緒將被解除阻塞並允許取得許可。

1.2 信號量的類型

Java中有兩種類型的信號量：

• 計數信號量：這種類型的信號量允許一定數量的執行緒存取資源。例如，如果將信號量設為3，則只有三個執行緒可以同時存取該資源。
• 二元信號量（互斥體）：這是計數信號量的一種特殊情況，其中許可數為 1，一次只允許一個執行緒存取資源。它經常被用作互斥鎖（mutex）。

2. Java中信號量的實現

為了更好地理解信號量的工作原理，讓我們來看看實際的實現。我們將創建一個簡單的場景，其中多個執行緒嘗試存取有限的資源。

2.1 搭建環境

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();
            }
        }
    }
}

2.2 代碼解釋

在此範例中，我們建立了一個具有三個許可的信號量，這意味著在任何給定時間只有三個執行緒可以存取程式碼的關鍵部分。然後我們創建六個線程，所有線程都嘗試獲取許可。一旦執行緒獲得許可，它就會在釋放許可之前透過休眠兩秒鐘來模擬某些工作。

2.3 觀察輸出

運行上面的程式碼時，輸出將如下所示：

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.

這裡，前三個執行緒成功取得許可並開始執行任務。其餘線程必須等待許可證被釋放後才能繼續。

2.4 實際用例

信號量在需要限制對特定資源的同時存取數量的場景中特別有用，例如：

• 限制資料庫連線
• 控制對共用檔案的存取
• 管理伺服器中的網路連線

3. 使用信號量的優點和缺點

雖然信號量是一個強大的工具，但它們也有自己的優點和缺點。

3.1 優點

靈活性：訊號量允許精確控制多個執行緒的資源存取。

可擴充性：訊號量可以輕鬆管理對大量資源的存取。

公平性 ：可以配置信號量以確保執行緒以公平的方式取得許可。

3.2 缺點

複雜性：使用訊號量會為程式碼帶來複雜性，使得偵錯變得更加困難。

死鎖：如果處理不當，信號量可能會導致死鎖，線程無限期地阻塞等待許可。

4. 在 Java 中使用信號量的最佳實踐

為了避免常見陷阱並充分利用訊號量，請考慮以下最佳實務：

4.1 使用tryAcquire進行限時取得

您可以使用 tryAcquire() 來嘗試取得逾時許可，而不是使用無限期阻塞的 acquire() 。這可以防止線程陷入等待狀態。

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();
            }
        }
    }
}

4.2 始終在finally區塊中釋放許可

為了避免資源洩漏，請務必在 finally 區塊中釋放許可證。這確保即使發生異常也能釋放許可證。

4.3 避免使用信號量進行簡單鎖定

如果您只需要為單一執行緒鎖定和解鎖資源，請考慮使用ReentrantLock或synchronized而不是二進位信號量。

5. 結論

信號量是 Java 中管理並發的強大工具，可讓您控制存取共享資源的執行緒數量。透過遵循本文中概述的技術和最佳實踐，您可以在 Java 應用程式中有效地實現信號量，以確保安全且高效的資源管理。

如果您有任何疑問或想分享您自己的信號量經驗，請隨時在下面發表評論！

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