JDK5 線程同步工具類深度解析（三）：Semaphore、CyclicBarrier 實戰應用

JDK5 線程同步工具類深度解析（三）：Semaphore、CyclicBarrier 實戰應用

一、Semaphore 信號量 - 控制並發訪問數量

核心概念

Semaphore 維護一組「許可證」，線程調用 acquire() 獲取許可（無則阻塞），用完調用 release() 歸還。構造函數參數指定許可證總數，可選 fair 參數控制公平性（FIFO vs 非公平）。

經典場景：資源池並發控制

如：數據庫連接池限制 10 並發、文件同時寫入限制 5 個線程、廁所有 5 個坑位同時容納 5 人。

完整代碼示例

import java.util.concurrent.*;

public class SemaphoreTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();
        final Semaphore sp = new Semaphore(3);  // 允許 3 並發
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            es.execute(() -> {
                try {
                    sp.acquire();  // 獲取許可
                    System.out.printf("線程 %s 進入，當前並發: %d%n",
                        Thread.currentThread().getName(), 3 - sp.availablePermits());
                    Thread.sleep(2000);  // 模擬業務
                    System.out.printf("線程 %s 即將離開%n", Thread.currentThread().getName());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    sp.release();  // 歸還許可
                    System.out.printf("線程 %s 離開，當前並發: %d%n",
                        Thread.currentThread().getName(), 3 - sp.availablePermits());
                }
            });
        }
        es.shutdown();
    }
}

單許可 Semaphore 實現互斥鎖

new Semaphore(1) 等價於互斥鎖，但更靈活：可由線程 A acquire()，線程 B release()，適用於死鎖恢復等特殊場景。

二、CyclicBarrier 循環柵欄 - 多線程同步等待

核心概念

CyclicBarrier 讓一組線程相互等待，直到所有線程都到達屏障點（調用 await()），然後同時繼續執行。可選構造參數 Runnable barrierAction 在所有線程到達後、繼續前由最後一個到達的線程執行。

經典場景：分階段計算、多玩家遊戲同步、MapReduce 階段同步

完整代碼示例

import java.util.concurrent.*;

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        final CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3);  // 3 個線程
        
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            service.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000));  // 隨機準備時間
                    System.out.printf("線程 %s 到達集合點1，已有 %d 個到達，%s%n",
                        Thread.currentThread().getName(),
                        cb.getNumberWaiting() + 1,
                        cb.getNumberWaiting() == 2 ? "都到齊了，繼續前進" : "正在等候");
                    cb.await();  // 等待其他線程
                    
                    Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000));
                    System.out.printf("線程 %s 到達集合點2，已有 %d 個到達，%s%n",
                        Thread.currentThread().getName(),
                        cb.getNumberWaiting() + 1,
                        cb.getNumberWaiting() == 2 ? "都到齊了，繼續前進" : "正在等候");
                    cb.await();
                    
                    Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000));
                    System.out.printf("線程 %s 到達集合點3，已有 %d 個到達，%s%n",
                        Thread.currentThread().getName(),
                        cb.getNumberWaiting() + 1,
                        cb.getNumberWaiting() == 2 ? "都到齊了，繼續前進" : "正在等候");
                    cb.await();
                } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }
            });
        }
        service.shutdown();
    }
}

三、核心區別與選型指南

四、進階用法提示

• Semaphore：tryAcquire(timeout) 超時獲取、availablePermits() 監控剩餘許可、drainPermits() 獲取並清空所有許可
• CyclicBarrier：getNumberWaiting() 獲取當前等待線程數、isBroken() 檢查是否損壞（線程中斷/超時導致）、reset() 重置屏障
• 對比 CountDownLatch：CountDownLatch 一次性、不可重置；CyclicBarrier 可循環使用

五、最佳實踐總結

1. 需要限制並發度時首選 Semaphore
2. 需要多線程階段同步時首選 CyclicBarrier
3. 始終在 finally 塊中 release()，防止許可洩漏
4. 避免在持有許可時執行耗時 I/O 或阻塞操作
5. 根據業務選擇公平模式：高爭用場景公平模式吞吐略低但避免飢餓