semaphore和exchanger在Java并發編程中各司其職。1. semaphore用于控制對共享資源的訪問數量，適用于資源池限制、有界隊列等場景；2. exchanger用于兩個線程之間的數據交換，適用于生產者-消費者模型中直接交換數據的場景。semaphore通過acquire()和release()方法管理許可數量，確保并發訪問不超過設定值；exchanger通過exchange()方法實現線程間的數據配對交換。選擇時應根據需求判斷：若需控制資源并發數則用semaphore，若需線程間直接交換數據則用exchanger。兩者在使用時都需注意線程安全問題，如確保方法成對調用及正確處理異常。
Semaphore和Exchanger在Java并發編程中分別扮演著不同的角色。Semaphore用于控制對共享資源的訪問數量，而Exchanger則用于兩個線程之間的數據交換。Semaphore像是交通信號燈，控制通行量；Exchanger則像是一個中轉站，讓兩個線程可以互換信息。
Semaphore和Exchanger在解決并發問題時各有千秋，選擇哪個取決于具體的需求。
Semaphore的應用場景
Semaphore最典型的應用場景就是資源池的限制。想象一下數據庫連接池，我們不可能無限地創建連接，否則系統資源會被耗盡。Semaphore可以用來限制同時訪問數據庫的連接數量。
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例如，假設我們有一個數據庫連接池，最多允許10個并發連接。我們可以這樣使用Semaphore：
import java.util.concurrent.Semaphore; public class DatabaseConnectionPool { private final Semaphore semaphore = new Semaphore(10); // 允許10個并發 public void acquireConnection() throws InterruptedException { semaphore.acquire(); // 獲取許可，可能會阻塞 } public void releaseConnection() { semaphore.release(); // 釋放許可 } // ... 其他數據庫連接池相關代碼 }
當一個線程需要使用數據庫連接時，它首先需要調用acquireConnection()方法獲取一個許可。如果當前已經有10個線程在使用連接，那么該線程會被阻塞，直到有其他線程釋放連接。使用完畢后，調用releaseConnection()方法釋放許可，允許其他線程獲取。
此外，Semaphore還可以用于實現有界隊列。有界隊列可以限制隊列中元素的數量，防止生產者生產速度過快導致內存溢出。
Exchanger的應用場景
Exchanger主要用于兩個線程之間的數據交換。一個經典的例子是生產者-消費者模型，但不是通過共享緩沖區，而是直接交換數據。
假設有兩個線程，一個負責生成數據，另一個負責消費數據。它們可以使用Exchanger來交換數據：
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(); } }
在這個例子中，producer()方法生成數據并調用exchanger.exchange(data)方法，等待另一個線程（consumer）與之交換數據。consumer()方法則調用exchanger.exchange(data)方法，將”Consumed data”發送給producer，并接收producer發送的數據。
Exchanger的一個微妙之處在于，如果一個線程調用exchange()方法后，沒有其他線程與之配對，那么該線程會一直阻塞，直到有另一個線程調用exchange()方法。
如何選擇Semaphore和Exchanger？
選擇Semaphore還是Exchanger，關鍵在于你的并發場景：
- Semaphore： 當你需要控制對共享資源的并發訪問數量，或者需要實現有界隊列等資源限制場景時，Semaphore是更好的選擇。
- Exchanger： 當你需要兩個線程之間直接交換數據，例如生產者-消費者模型（不使用共享緩沖區）或其他類似的對等交換場景時，Exchanger更合適。
可以簡單理解為：Semaphore側重于資源控制，Exchanger側重于數據交換。
Semaphore和ReentrantLock的區別是什么？
雖然ReentrantLock也能實現互斥訪問，但它和Semaphore的側重點不同。ReentrantLock通常用于保護代碼塊，確保同一時刻只有一個線程可以執行。Semaphore則更側重于控制資源的并發訪問數量，即使是多個線程，只要總數不超過許可數，就可以同時訪問。
一個常見的誤解是認為Semaphore(1)等同于ReentrantLock。雖然兩者都能實現互斥，但ReentrantLock具有更強的靈活性，例如可以重入，并且可以提供更豐富的鎖信息（例如是否被鎖定，等待隊列長度等）。Semaphore(1)更簡單直接，但功能相對有限。
Exchanger在高并發場景下的性能如何？
Exchanger在高并發場景下的性能會受到影響。由于每次交換都需要兩個線程配對，如果線程數量過多，可能會導致線程等待時間過長，從而降低整體性能。
在高并發場景下，可以考慮使用其他并發工具，例如BlockingQueue，或者使用更復雜的并發模式，例如流水線處理，將任務分解成多個階段，每個階段使用不同的線程池來處理。
使用Semaphore和Exchanger時需要注意哪些線程安全問題？
在使用Semaphore和Exchanger時，需要注意以下線程安全問題：
- Semaphore： 需要確保acquire()和release()方法成對調用，否則可能會導致許可數量不正確，甚至死鎖。通常可以使用try-finally塊來確保release()方法總是被調用。
- Exchanger： 需要確保參與交換的線程數量正確，并且每個線程都調用exchange()方法。如果線程數量不匹配，可能會導致線程一直阻塞。另外，需要注意exchange()方法可能會拋出InterruptedException，需要正確處理。
總而言之，Semaphore和Exchanger是Java并發編程中非常有用的工具，但需要根據具體的應用場景選擇合適的工具，并且注意線程安全問題。理解它們的原理和適用場景，才能更好地利用它們來解決并發問題。
