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Java多线程交替执行:利用Semaphore实现精确同步

心靈之曲
发布: 2025-11-09 13:42:27
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java多线程交替执行:利用semaphore实现精确同步

本教程深入探讨如何使用Java `Semaphore`实现两个线程的严格交替执行,以产生“121212...”的序列输出。文章首先分析了常见错误——由于`Semaphore`实例未共享导致的同步失效问题,随后提供了正确的解决方案,并通过详细的代码示例展示了如何初始化和使用共享的`Semaphore`对象,以确保线程间的有序协作和精确同步。

一、引言:多线程交替执行的需求

在多线程编程中,我们经常需要协调不同线程的执行顺序,以实现特定的业务逻辑。例如,要求两个线程严格按照“线程A执行一次,然后线程B执行一次,再线程A执行一次……”的模式交替运行。这种场景下,线程间的同步机制至关重要。Java并发包提供了多种同步工具,其中Semaphore(信号量)是实现资源访问控制和线程间协调的强大工具。本教程将重点讲解如何利用Semaphore来解决一个经典的交替打印问题。

我们的目标是实现以下输出序列:12121212....121212,其中“1”由一个线程打印,“2”由另一个线程打印。

二、初始错误尝试与问题分析

为了实现上述目标,一个常见的初步设想是创建两个Semaphore,一个控制线程1的执行,另一个控制线程2的执行,并通过acquire()和release()方法来互相通知。

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考虑以下初始代码实现:

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemTest {
    Semaphore sem1 = new Semaphore(1); // 控制线程1,初始允许执行
    Semaphore sem2 = new Semaphore(0); // 控制线程2,初始不允许执行

    public static void main(String args[]) {
        final SemTest semTest1 = new SemTest(); // 实例1
        final SemTest semTest2 = new SemTest(); // 实例2

        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    semTest1.numb1(); // 线程1操作实例1的numb1方法
                } catch (Exception e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }.start();

        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    semTest2.numb2(); // 线程2操作实例2的numb2方法
                } catch (Exception e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }.start();
    }

    private void numb1() {
        while (true) {
            try {
                sem1.acquire(); // 尝试获取sem1许可
                System.out.print(" 1");
                sem2.release(); // 释放sem2许可
                Thread.sleep(1000); // 模拟工作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void numb2() {
        while (true) {
            try {
                sem2.acquire(); // 尝试获取sem2许可
                System.out.print(" 2");
                sem1.release(); // 释放sem1许可
                Thread.sleep(1000); // 模拟工作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
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运行上述代码,你可能会发现程序在打印“1”之后就停止了,无法实现预期的“121212...”序列。

问题分析:

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核心问题在于main方法中创建了两个SemTest实例:semTest1和semTest2。

  • semTest1拥有自己独立的sem1和sem2信号量。
  • semTest2也拥有自己独立的sem1和sem2信号量。

第一个线程调用semTest1.numb1(),它操作的是semTest1内部的sem1和sem2。它成功获取semTest1.sem1的许可,打印“1”,然后释放semTest1.sem2的许可。 第二个线程调用semTest2.numb2(),它操作的是semTest2内部的sem1和sem2。它尝试获取semTest2.sem2的许可,但由于semTest2.sem2的初始许可为0,并且没有任何线程释放过它的许可,所以第二个线程会一直阻塞在那里。

这两个线程之间根本没有通过信号量进行任何交互,因为它们操作的是完全不同的信号量对象。要实现线程间的同步,它们必须共享相同的同步原语。

三、使用Semaphore实现精确交替执行

要解决上述问题,关键在于确保两个线程操作的是同一个Semaphore实例。这意味着sem1和sem2必须是所有参与线程共享的资源。

3.1 核心思想

  1. 共享信号量实例: 两个线程必须访问同一对sem1和sem2信号量。
  2. 初始状态: sem1初始化为1个许可,允许第一个线程(打印“1”的线程)先执行。sem2初始化为0个许可,阻止第二个线程(打印“2”的线程)在第一个线程完成前执行。
  3. 交替机制:
    • 打印“1”的线程:获取sem1许可,打印“1”,然后释放sem2许可。
    • 打印“2”的线程:获取sem2许可,打印“2”,然后释放sem1许可。 通过这种方式,两个信号量像“令牌”一样在两个线程间传递,确保了严格的交替执行。

3.2 修正后的代码示例

我们将Semaphore实例移到main方法中,并作为局部变量被匿名内部类捕获,从而实现共享。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class CorrectSemTest {

    public static void main(String args[]) {
        // 关键:sem1和sem2被定义在main方法中,并由匿名线程类“捕获”
        // 确保了两个线程操作的是同一对Semaphore实例
        final Semaphore sem1 = new Semaphore(1); // 初始允许线程1执行
        final Semaphore sem2 = new Semaphore(0); // 初始阻止线程2执行

        // 线程1:负责打印“1”
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        sem1.acquire(); // 获取sem1许可,如果为0则阻塞
                        System.out.print(" 1");
                        sem2.release(); // 释放sem2许可,允许线程2执行
                        Thread.sleep(500); // 模拟工作耗时
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt(); // 恢复中断状态
                    System.err.println("Thread 1 interrupted.");
                }
            }
        }).start();

        // 线程2:负责打印“2”
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    while (true) {
                        sem2.acquire(); // 获取sem2许可,如果为0则阻塞
                        System.out.print(" 2");
                        sem1.release(); // 释放sem1许可,允许线程1执行
                        Thread.sleep(500); // 模拟工作耗时
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt(); // 恢复中断状态
                    System.err.println("Thread 2 interrupted.");
                }
            }
        }).start();
    }
}
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运行上述CorrectSemTest代码,你将看到预期的“1 2 1 2 1 2 ...”交替输出。

3.3 代码执行流程详解

  1. 初始化: sem1有1个许可,sem2有0个许可。
  2. 线程1启动:
    • 进入while(true)循环。
    • 执行sem1.acquire()。由于sem1有1个许可,线程1成功获取许可,sem1的许可变为0。
    • 打印“1”。
    • 执行sem2.release()。sem2的许可从0变为1。
    • Thread.sleep(500),线程1暂停。
  3. 线程2启动:
    • 进入while(true)循环。
    • 执行sem2.acquire()。此时sem2的许可为1(由线程1释放),线程2成功获取许可,sem2的许可变为0。
    • 打印“2”。
    • 执行sem1.release()。sem1的许可从0变为1。
    • Thread.sleep(500),线程2暂停。
  4. 循环往复: 当线程1从睡眠中醒来时,它会再次尝试sem1.acquire()。此时sem1的许可为1(由线程2释放),线程1再次执行。这个过程会无限循环,实现“1”和“2”的交替打印。

四、注意事项与最佳实践

  1. 共享性是关键: 任何用于线程间同步的工具(Semaphore、Lock、CountDownLatch等)都必须是所有参与线程共享的实例。如果每个线程都有自己的同步工具实例,它们将无法互相协调。
  2. acquire()与release()的配对: 确保每次acquire()操作都有对应的release()操作,以避免死锁或资源泄露。在我们的例子中,每个线程在完成自己的任务后,都会释放另一个线程所需的许可。
  3. 异常处理: acquire()方法会抛出InterruptedException,这表示线程在等待许可时被中断。在实际应用中,应妥善处理此异常,通常的做法是捕获异常后重新设置中断标志 (Thread.currentThread().interrupt();),以便更高层的代码能够感知到中断。
  4. 选择合适的同步工具: 虽然Semaphore可以解决这类交替执行问题,但在更复杂的条件等待场景下,Object.wait()/notify()或ReentrantLock配合Condition可能提供更灵活的控制。对于简单的资源访问计数或互斥,Semaphore是一个简洁高效的选择。
  5. 避免在循环中创建线程: 在本教程的例子中,线程是在main方法中一次性创建并启动的。避免在频繁执行的循环中重复创建和销毁线程,这会带来巨大的性能开销。

五、总结

通过本教程,我们学习了如何使用Java Semaphore实现两个线程的精确交替执行。核心要点在于确保所有参与同步的线程共享同一个Semaphore实例。通过巧妙地初始化两个Semaphore(一个初始许可为1,另一个为0),并让线程在完成任务后释放对方所需的许可,我们成功构建了一个稳定的交替执行机制。理解并正确应用这些并发原语是编写高效、健壮多线程应用程序的基础。

以上就是Java多线程交替执行:利用Semaphore实现精确同步的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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