一、介绍
控制访问共享资源的机制，以避免多个线程同时访问同一个共享资源造成的冲突问题。Semaphore可以看做是一种计数器，用来控制同时访问某个共享资源的线程个数，也就是说，它可以控制并发线程的数量。
二、特性
1. 计数器：Semaphore内部维护了一个计数器，表示当前可用的许可证数量。
2. 许可证：Semaphore可以控制同时访问某个共享资源的线程个数，每个线程需要获取一个许可证才能访问共享资源。当许可证数量为0时，其他线程需要等待。
3. 公平性：Semaphore可以选择公平模式或非公平模式。在公平模式下，等待时间最长的线程会优先获取许可证。
4. 释放许可证：当一个线程访问共享资源结束后，需要释放许可证以便其他线程可以访问。
5. 动态调整：Semaphore的许可证数量可以动态调整。
三、实现原理
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类，AQS是Java中一个同步工具类的基础框架，Semaphore就是基于AQS的共享模式实现的。
每次请求一个许可证时，计数器减一，释放一个许可证时，计数器加一。当计数器为0时，其他请求许可证的线程会被阻塞，直到有许可证可用。Semaphore内部维护了一个等待队列，当许可证不可用时，请求许可证的线程会被加入等待队列中。
公平性和非公平性两种模式。在公平模式下，等待时间最长的线程会优先获取许可证。在非公平模式下，请求许可证的线程会直接尝试获取许可证，不会排队等待。
四、应用场景
1. 限流：在高并发的场景下，可以使用Semaphore来限制同时访问某个资源的线程数量，从而达到限流的目的。
2. 线程池：可以使用Semaphore来控制线程池中的线程数量，当线程池中的线程数量达到Semaphore的许可证数量时，新的任务会被阻塞等待。
3. 生产者消费者模式：可以使用Semaphore来控制生产者和消费者的数量，当生产者或消费者数量达到Semaphore的许可证数量时，另一个角色会被阻塞等待，从而实现生产者消费者模式的协调和控制。
4. 线程间通信：Semaphore可以用于线程间的通信，当线程需要等待某些条件满足时，可以使用Semaphore来进行阻塞等待，并在条件满足时释放许可证。
5. 限制资源并发访问：Semaphore可以用于限制某个资源的并发访问数量，从而避免因过多的并发访问而导致资源崩溃或性能下降等问题。
五、注意事项
1. 许可证数量的设置：许可证数量需要根据实际场景进行设置，如果许可证数量过少，可能会导致线程一直被阻塞等待，从而影响系统性能；如果许可证数量过多，可能会导致系统资源的浪费。
2. 许可证的获取和释放：在使用Semaphore时，需要确保许可证的获取和释放是成对出现的，即每个线程获取到的许可证一定要及时释放，否则可能会导致其他线程一直被阻塞等待，从而影响系统性能。
3. 错误处理：在使用Semaphore时，需要考虑可能出现的异常情况，如许可证数量不足、线程被中断等，需要进行合理的错误处理，以保证程序的健壮性和可靠性。
4. 公平模式和非公平模式：需要根据实际场景选择使用公平模式还是非公平模式，如果要保证所有线程获取许可证的顺序是按照请求的顺序，那么需要使用公平模式；否则，可以选择非公平模式以提高系统的性能。
5. 多个Semaphore实例的协调和控制：如果有多个Semaphore实例需要进行协调和控制，需要根据实际场景进行合理的设计和组织，以保证系统的可靠性和高效性。
使用时需要注意合理设置许可证数量，确保许可证的获取和释放是成对出现的，并进行合理的错误处理和模式选择，以达到最佳的效果。
六、实际应用
1. 案例一
(1) 场景
下面是一个使用Semaphore实现限流的示例代码。
(2) 代码
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Resource {
private final Semaphore semaphore;
public Resource(int limit) {
semaphore = new Semaphore(limit);
}
public void access() throws InterruptedException {
semaphore.acquire();
try {
// do something
} finally {
semaphore.release();
}
}
}access方法是需要被限流控制的方法，在方法开始时需要调用Semaphore的acquire方法获取许可证，如果许可证数量为0，则线程会被阻塞等待；在方法结束时需要调用Semaphore的release方法释放许可证。
Semaphore有两种模式：公平模式和非公平模式。在公平模式下，Semaphore会按照线程请求许可证的顺序分配许可证；而在非公平模式下，Semaphore会随机分配许可证，可能会导致某些线程一直无法获取许可证。默认情况下，Semaphore是非公平模式。
2. 案例二
(1) 场景
以下是一个使用Semaphore实现线程池的经典案例代码（注意：这仅是一个演示案例，帮助你快速理解。如果你想创建和使用线程池，请看这篇文章：一篇读懂线程池）。
(2) 代码
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 使用Semaphore实现线程池的经典案例
*
* @author wxy
* @since 2023-04-23
*/
public class SemaphoreThreadPool {
private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(SemaphoreThreadPool.class);
private final ExecutorService executor;
private final Semaphore semaphore;
/**
* 构造
*
* @param poolSize 核心线程数&最大线程数
*/
public SemaphoreThreadPool(int poolSize) {
this.executor = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);
this.semaphore = new Semaphore(poolSize);
}
public void execute(Runnable task) throws InterruptedException {
semaphore.acquire();
executor.execute(() -> {
try {
task.run();
} finally {
semaphore.release();
}
});
}
public void shutdown() {
executor.shutdown();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建实例并指定一次仅能执行3个线程
SemaphoreThreadPool threadPool = new SemaphoreThreadPool(3);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threadPool.execute(() -> {
LOGGER.info("Thread {} is running.", Thread.currentThread().getName());
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LOGGER.info("Thread {} is finished.", Thread.currentThread().getName());
});
}
threadPool.shutdown();
}
}Semaphore用于限制线程池中的线程数量，当线程池中的所有线程都正在执行任务时，新的任务会被阻塞等待。每当有一个线程完成任务时，会释放一个许可证，这样可以让其他被阻塞的任务继续执行。通过Semaphore的控制，可以有效地控制线程池的并发度（限制仅能执行你指定的或小于你指定的线程数量），从而保证系统的稳定性和性能。输出如下结果：
