一站式了解Java中Semaphore的基本用法

更新時間：2026年02月09日 10:52:32 作者：想用offer打牌

本文主要介紹了一站式了解Java中Semaphore的基本用法,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

引言

我們今天一起來了解一下JUC的同步工具類-Semaphore的基本用法。

什么是Semaphore(信號量)

Semaphore (信號量) 是 java.util.concurrent 包下非常有用的一個并發(fā)工具類。你可以把它理解為用于控制同時訪問特定資源的線程數(shù)量的工具。它維護(hù)了一組“許可”（permits），線程在訪問受保護(hù)資源前必須先獲取一個許可，使用完后再釋放該許可。

場景引入

想象一個只有 5 個車位的停車場（共享資源）：

Permits (許可證/令牌)： 初始化時，Semaphore 擁有 5 個令牌。
Acquire (獲取)： 車輛（線程）進(jìn)入時，先領(lǐng) 1 個令牌。如果沒有令牌了（計數(shù)為0），車輛就得在門口排隊（阻塞）。
Release (釋放)： 車輛離開時，歸還 1 個令牌。此時如果有排隊的車輛，就會喚醒其中一個進(jìn)入。

這就是Semaphore做的事，控制在一個時間段內(nèi)可以訪問特定資源的線程數(shù)量。

基本概念

許可（Permit） ：Semaphore 內(nèi)部維護(hù)一個計數(shù)器，表示當(dāng)前可用的許可數(shù)量。
acquire() ：嘗試獲取一個或多個許可。如果沒有足夠許可，線程會被阻塞，直到有足夠許可可用。
release() ：釋放一個或多個許可，增加可用許可數(shù)量，可能喚醒等待中的線程。

底層原理

Semaphore 內(nèi)部基于 AQS (AbstractQueuedSynchronizer) 實(shí)現(xiàn)。

它使用 AQS 的 state 變量來存儲當(dāng)前的許可證數(shù)量。
acquire() 操作是對 state 進(jìn)行 CAS 減法。
release() 操作是對 state 進(jìn)行 CAS 加法。

常用方法

下面是Semaphore的常用方法。

方法	描述	場景
new Semaphore(int permits)	創(chuàng)建非公平信號量（默認(rèn)）。	吞吐量優(yōu)先
new Semaphore(int permits, boolean fair)	創(chuàng)建公平信號量（FIFO）。	避免線程饑餓
acquire()	獲取1個許可，若無則阻塞。響應(yīng)中斷。	必須拿到的場景
acquire(int n)	一次獲取 n 個許可。	批量資源
tryAcquire()	嘗試獲取，成功返回 true，失敗返回 false，不阻塞。	快速失敗/降級處理
tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)	帶超時的嘗試獲取。	避免長時間死等
release()	釋放1個許可。	務(wù)必在 finally 中調(diào)用
void release(int permits)	釋放指定數(shù)量許可。	務(wù)必在 finally 中調(diào)用

使用例子

這是最典型的使用場景：限流 (Rate Limiting) 或 資源池控制。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SemaphoreExample {

    // 定義一個只能允許3個線程同時訪問的信號量
    private static final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 模擬10個請求同時涌入
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int threadNum = i;
            executor.execute(() -> {
                try {
                    // 1. 獲取許可 (如果拿不到，這里會阻塞)
                    // 也可以使用 tryAcquire() 來進(jìn)行非阻塞嘗試
                    semaphore.acquire(); 
                    
                    System.out.println("線程 " + threadNum + " 拿到了令牌，正在處理業(yè)務(wù)...");
                    // 模擬業(yè)務(wù)耗時
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
                    
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                } finally {
                    // 2. 關(guān)鍵：一定要在 finally 中釋放許可！
                    System.out.println("線程 " + threadNum + " 處理完畢，歸還令牌 ---");
                    semaphore.release(); 
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

一般使用場景有這些，特別是框架特別喜歡用：

數(shù)據(jù)庫連接池（限制最大連接數(shù)）
線程池任務(wù)提交限流
文件讀寫并發(fā)控制
服務(wù)接口的 QPS 限流

平時使用的坑你要注意

場景 A：公平性 (Fairness)

new Semaphore(3, true) 會保證等待最久的線程最先拿到令牌。

優(yōu)點(diǎn)： 避免線程饑餓。
缺點(diǎn)： 性能較差（因?yàn)橐S護(hù)嚴(yán)格的隊列順序，增加了上下文切換開銷）。通常后端高并發(fā)場景默認(rèn)使用非公平模式以換取吞吐量。

場景 B：初始化為 0

Semaphore 不一定要初始化為正數(shù)。如果你初始化為 new Semaphore(0)：

線程 A 調(diào)用 acquire() 會立刻阻塞。
直到線程 B 調(diào)用 release()，線程 A 才會繼續(xù)執(zhí)行。
用途： 這種模式類似 CountDownLatch 或 Exchanger，用于線程間的單次信號通知。

常見坑

忘記 Release：如果在異常發(fā)生前沒有釋放，或者沒寫在 finally 塊中，在這個 JVM 進(jìn)程重啟前，那個令牌就永久丟失了（類似內(nèi)存泄漏），最終導(dǎo)致所有線程阻塞。所以千萬要記住，寫release在finally塊！！
Release 濫用： release() 只是簡單地將計數(shù)器 +1。如果你在沒有 acquire 的情況下錯誤地調(diào)用了多次 release()，信號量的許可證數(shù)量會超過初始值（比如變成 5+1 = 6），導(dǎo)致限流失效。

和平時的ReentrantLock / synchronized 的區(qū)別

使用用途和目的是它們最大的區(qū)別。

特性	synchronized / ReentrantLock	Semaphore
控制粒度	一次只允許一個線程進(jìn)入臨界區(qū)	可允許多個線程（≤許可數(shù)）同時進(jìn)入
是否可重入	是（ReentrantLock）	否（許可不屬于特定線程）
主要用途	互斥訪問	資源池、限流、并發(fā)控制

那么使用自定義計時器+鎖+喚醒等待機(jī)制也是可以實(shí)現(xiàn)Semaphore一樣的功能，但是沒必要，還容易出錯。不如直接使用Semaphore。