面试题：什么是 Java 的 Semaphore？

Java 中的 Semaphore 是 java.util.concurrent 包提供的一个资源访问控制工具类，用于限制同时访问的线程数量，从而实现对共享资源的并发控制。它是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer） 实现的。

🌟 一、核心概念

1. 信号量（Semaphore）

本质上是一个计数器，表示当前可用资源的数量。
线程在访问资源前需要先获取信号量（acquire()），如果信号量计数大于 0，则允许访问，并将计数减 1。
使用完资源后释放信号量（release()），计数加 1，唤醒等待线程。

2. 公平性（Fairness）

非公平模式（默认）：允许线程“插队”尝试获取信号量。
公平模式：线程按照等待顺序获取资源（先进先出）。

// 示例：创建一个公平的信号量，初始许可数为3
Semaphore semaphore = new Semaphore(3, true);

🧠 二、核心方法

方法名	描述
`acquire()`	获取一个许可，如果没有可用许可则阻塞。
`acquire(int permits)`	获取指定数量的许可，阻塞直到满足条件。
`tryAcquire()`	尝试获取一个许可，立即返回是否成功（不阻塞）。
`tryAcquire(int permits)`	尝试获取指定数量的许可。
`tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)`	在指定时间内尝试获取许可。
`release()`	释放一个许可。
`release(int permits)`	释放指定数量的许可。
`availablePermits()`	返回当前可用的许可数量。
`drainPermits()`	获取并返回所有可用许可，剩余为 0。

🎯 三、典型使用场景

1. 资源池管理

限制同时访问数据库连接、线程池等资源的数量。

Semaphore pool = new Semaphore(5); // 模拟连接池最多5个连接

pool.acquire(); // 获取连接
// 使用资源...
pool.release(); // 释放连接

2. 限流（Rate Limiting）

控制单位时间内并发请求的数量，防止系统过载。

Semaphore rateLimiter = new Semaphore(10); // 每秒最多处理10个请求

new Thread(() -> {
    rateLimiter.acquire();
    try {
        // 处理请求
    } finally {
        rateLimiter.release();
    }
}).start();

3. 互斥锁（Mutex）

使用许可数为 1 的信号量实现二元互斥锁（类似 ReentrantLock）。

Semaphore mutex = new Semaphore(1);

mutex.acquire();
try {
    // 临界区代码
} finally {
    mutex.release();
}

4. 生产者-消费者模型

控制缓冲区的读写操作，避免资源溢出或空读。

🧪 四、与 CountDownLatch / CyclicBarrier 的区别

特性	Semaphore	CountDownLatch	CyclicBarrier
用途	控制并发访问资源	主线程等待多个线程完成	多线程互相等待到达屏障点
计数方向	可增可减（acquire/release）	递减（countDown）	递增（await）
可重用性	是	否	是
是否支持超时	支持	支持	支持
是否公平	支持设置	不适用	不适用
是否可重置	是	否	是

🧾 五、示例代码：模拟资源池

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class ResourcePool {
    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 同时最多3个线程访问

    public void useResource() {
        try {
            semaphore.acquire();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在使用资源...");
            Thread.sleep(2000); // 模拟使用资源
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            semaphore.release();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 已释放资源");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ResourcePool pool = new ResourcePool();
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            new Thread(pool::useResource, "Thread-" + i).start();
        }
    }
}

⚠️ 六、注意事项

acquire() 会响应中断

必须正确处理 InterruptedException，避免线程卡死。

确保 release() 被调用

使用 try-finally 块保证资源释放，避免死锁。

许可数不能为负数

初始化时传入负数会抛出 IllegalArgumentException。

公平性影响性能

公平模式虽然避免饥饿，但可能带来性能开销。

许可数可大于资源数

语义上可以设置许可数大于实际资源数，需开发者自行控制逻辑。

✅ 七、总结

特性	说明
作用	控制同时访问的线程数量，实现资源同步和限流
底层实现	基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
核心方法	`acquire()`、`release()`、`tryAcquire()`
典型场景	资源池、限流、互斥锁、生产者消费者模型
与其他工具区别	与 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 各有适用场景
注意事项	处理中断、确保释放、合理设置许可数和公平性

THE END

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