Java并发神器！Semaphore与Exchanger实战应用超详解

还在为Java并发编程中的资源控制和数据交换问题苦恼吗？本文为你揭秘`Semaphore`和`Exchanger`这两大神器的应用场景！`Semaphore`如同交通信号灯，擅长控制共享资源的并发访问数量，例如数据库连接池的并发连接数限制，防止资源耗尽；而`Exchanger`则像线程间的数据中转站，专为两个线程之间直接交换数据而生，特别适用于生产者-消费者模型。本文通过生动的例子，详细讲解了`Semaphore`如何实现资源池限制和有界队列，`Exchanger`如何助力线程间的数据配对交换。同时，对比了`Semaphore`与`ReentrantLock`的区别，分析了`Exchanger`在高并发场景下的性能，并提醒在使用两者时需要注意的线程安全问题。掌握`Semaphore`和`Exchanger`，让你的Java并发程序更加高效稳定！

Semaphore和Exchanger在Java并发编程中各司其职。1. Semaphore用于控制对共享资源的访问数量，适用于资源池限制、有界队列等场景；2. Exchanger用于两个线程之间的数据交换，适用于生产者-消费者模型中直接交换数据的场景。Semaphore通过acquire()和release()方法管理许可数量，确保并发访问不超过设定值；Exchanger通过exchange()方法实现线程间的数据配对交换。选择时应根据需求判断：若需控制资源并发数则用Semaphore，若需线程间直接交换数据则用Exchanger。两者在使用时都需注意线程安全问题，如确保方法成对调用及正确处理异常。

Semaphore和Exchanger在Java并发编程中分别扮演着不同的角色。Semaphore用于控制对共享资源的访问数量，而Exchanger则用于两个线程之间的数据交换。Semaphore像是交通信号灯，控制通行量；Exchanger则像是一个中转站，让两个线程可以互换信息。

Semaphore和Exchanger在解决并发问题时各有千秋，选择哪个取决于具体的需求。

Semaphore的应用场景

Semaphore最典型的应用场景就是资源池的限制。想象一下数据库连接池，我们不可能无限地创建连接，否则系统资源会被耗尽。Semaphore可以用来限制同时访问数据库的连接数量。

例如，假设我们有一个数据库连接池，最多允许10个并发连接。我们可以这样使用Semaphore：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class DatabaseConnectionPool {

    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(10); // 允许10个并发

    public void acquireConnection() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire(); // 获取许可，可能会阻塞
    }

    public void releaseConnection() {
        semaphore.release(); // 释放许可
    }

    // ... 其他数据库连接池相关代码
}

当一个线程需要使用数据库连接时，它首先需要调用acquireConnection()方法获取一个许可。如果当前已经有10个线程在使用连接，那么该线程会被阻塞，直到有其他线程释放连接。使用完毕后，调用releaseConnection()方法释放许可，允许其他线程获取。

此外，Semaphore还可以用于实现有界队列。有界队列可以限制队列中元素的数量，防止生产者生产速度过快导致内存溢出。

Exchanger的应用场景

Exchanger主要用于两个线程之间的数据交换。一个经典的例子是生产者-消费者模型，但不是通过共享缓冲区，而是直接交换数据。

假设有两个线程，一个负责生成数据，另一个负责消费数据。它们可以使用Exchanger来交换数据：

import java.util.concurrent.Exchanger;

public class DataExchange {

    private final Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<>();

    public void producer(String data) throws InterruptedException {
        String receivedData = exchanger.exchange(data);
        System.out.println("Producer received: " + receivedData);
    }

    public String consumer() throws InterruptedException {
        String data = "Consumed data";
        String receivedData = exchanger.exchange(data);
        System.out.println("Consumer received: " + receivedData);
        return receivedData;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataExchange dataExchange = new DataExchange();

        new Thread(() -> {
            try {
                dataExchange.producer("Produced data");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                dataExchange.consumer();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

在这个例子中，producer()方法生成数据并调用exchanger.exchange(data)方法，等待另一个线程（consumer）与之交换数据。consumer()方法则调用exchanger.exchange(data)方法，将"Consumed data"发送给producer，并接收producer发送的数据。

Exchanger的一个微妙之处在于，如果一个线程调用exchange()方法后，没有其他线程与之配对，那么该线程会一直阻塞，直到有另一个线程调用exchange()方法。

如何选择Semaphore和Exchanger？

选择Semaphore还是Exchanger，关键在于你的并发场景：

• Semaphore： 当你需要控制对共享资源的并发访问数量，或者需要实现有界队列等资源限制场景时，Semaphore是更好的选择。
• Exchanger： 当你需要两个线程之间直接交换数据，例如生产者-消费者模型（不使用共享缓冲区）或其他类似的对等交换场景时，Exchanger更合适。

可以简单理解为：Semaphore侧重于资源控制，Exchanger侧重于数据交换。

Semaphore和ReentrantLock的区别是什么？

虽然ReentrantLock也能实现互斥访问，但它和Semaphore的侧重点不同。ReentrantLock通常用于保护代码块，确保同一时刻只有一个线程可以执行。Semaphore则更侧重于控制资源的并发访问数量，即使是多个线程，只要总数不超过许可数，就可以同时访问。

一个常见的误解是认为Semaphore(1)等同于ReentrantLock。虽然两者都能实现互斥，但ReentrantLock具有更强的灵活性，例如可以重入，并且可以提供更丰富的锁信息（例如是否被锁定，等待队列长度等）。Semaphore(1)更简单直接，但功能相对有限。

Exchanger在高并发场景下的性能如何？

Exchanger在高并发场景下的性能会受到影响。由于每次交换都需要两个线程配对，如果线程数量过多，可能会导致线程等待时间过长，从而降低整体性能。

在高并发场景下，可以考虑使用其他并发工具，例如BlockingQueue，或者使用更复杂的并发模式，例如流水线处理，将任务分解成多个阶段，每个阶段使用不同的线程池来处理。

使用Semaphore和Exchanger时需要注意哪些线程安全问题？

在使用Semaphore和Exchanger时，需要注意以下线程安全问题：

• Semaphore： 需要确保acquire()和release()方法成对调用，否则可能会导致许可数量不正确，甚至死锁。通常可以使用try-finally块来确保release()方法总是被调用。
• Exchanger： 需要确保参与交换的线程数量正确，并且每个线程都调用exchange()方法。如果线程数量不匹配，可能会导致线程一直阻塞。另外，需要注意exchange()方法可能会抛出InterruptedException，需要正确处理。

总而言之，Semaphore和Exchanger是Java并发编程中非常有用的工具，但需要根据具体的应用场景选择合适的工具，并且注意线程安全问题。理解它们的原理和适用场景，才能更好地利用它们来解决并发问题。

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