Java 多线程 9：利用 Semaphore 实现信号灯

2023-10-10 04:17:27

引言

在并发的 Java 世界中，协调多个线程之间的访问至关重要。Semaphore（信号量）是一种强大的工具，它使我们能够控制并发访问受限资源，就像在现实世界中信号灯控制交通一样。在本文中，我们将深入探讨 Semaphore，并展示如何利用它来实现一个模拟现实生活中信号灯的 Java 程序。

1. Semaphore 的基本概念

Semaphore 是一个计数器，它允许我们限制可以同时访问特定资源的线程数。它提供了一种机制来确保一次只有一个线程可以访问临界区（即受保护的代码段），从而防止数据竞争和死锁。

Semaphore 有两个主要方法：

Semaphore(int permits)：构造方法，创建具有给定许可数的计数信号量并设置为非公平信号量。
acquire()：获取一个许可，如果当前没有许可可用，则线程将被阻塞，直到有许可可用。
release()：释放一个许可，允许另一个线程获得许可并继续执行。

2. 使用 Semaphore 实现信号灯

交通信号灯是一种常见的并发控制示例。它协调从不同方向驶来的车辆，防止碰撞并确保交通顺畅。

我们可以使用 Semaphore 来模拟交通信号灯的行为。我们将创建一个包含两个信号灯的类，一个用于东西方向，另一个用于南北方向。

public class TrafficLight {

    private Semaphore eastWestSemaphore;
    private Semaphore northSouthSemaphore;

    public TrafficLight() {
        eastWestSemaphore = new Semaphore(1);
        northSouthSemaphore = new Semaphore(0);
    }

    public void eastWestGreen() {
        eastWestSemaphore.acquire();
        // 东西方向的车辆可以通行
        eastWestSemaphore.release();
    }

    public void northSouthGreen() {
        northSouthSemaphore.acquire();
        // 南北方向的车辆可以通行
        northSouthSemaphore.release();
    }
}

在我们的 TrafficLight 类中，eastWestSemaphore 和 northSouthSemaphore 表示信号灯的许可。当东西方向的信号灯为绿灯时，eastWestSemaphore 具有一个许可，允许一辆车通过。当南北方向的信号灯为绿灯时，northSouthSemaphore 具有一个许可，允许另一辆车通过。

3. 模拟交通

为了模拟交通，我们将创建 Car 类，代表在信号灯前等待的车辆。每个 Car 对象将具有一个方向（东西或南北），并从 TrafficLight 对象获取许可：

public class Car implements Runnable {

    private TrafficLight trafficLight;
    private String direction;

    public Car(TrafficLight trafficLight, String direction) {
        this.trafficLight = trafficLight;
        this.direction = direction;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (direction.equals("east-west")) {
                trafficLight.eastWestGreen();
            } else {
                trafficLight.northSouthGreen();
            }
            // 车辆通过信号灯
            // ...
        }
    }
}

4. 运行模拟

为了运行模拟，我们将创建多个 Car 对象并启动它们：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        TrafficLight trafficLight = new TrafficLight();

        Car car1 = new Car(trafficLight, "east-west");
        Car car2 = new Car(trafficLight, "north-south");
        Car car3 = new Car(trafficLight, "east-west");
        Car car4 = new Car(trafficLight, "north-south");

        Thread thread1 = new Thread(car1);
        Thread thread2 = new Thread(car2);
        Thread thread3 = new Thread(car3);
        Thread thread4 = new Thread(car4);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}