Java 读写锁 ReadWriteLock 原理与应用场景详解

Java 读写锁 ReadWriteLock 原理与应用场景详解

Java并发编程提供了读写锁,主要用于读多写少的场景,今天我就重点来讲解读写锁的底层实现原理@mikechen

什么是读写锁?

读写锁并不是JAVA所特有的读写锁(Readers-Writer Lock)顾名思义是一把锁分为两部分:读锁和写锁,其中读锁允许多个线程同时获得,因为读操作本身是线程安全的,而写锁则是互斥锁,不允许多个线程同时获得写锁,并且写操作和读操作也是互斥的。

所谓的读写锁(Readers-Writer Lock),顾名思义就是将一个锁拆分为读锁和写锁两个锁。

其中读锁允许多个线程同时获得,而写锁则是互斥锁,不允许多个线程同时获得写锁,并且写操作和读操作也是互斥的。

Java 读写锁 ReadWriteLock 原理与应用场景详解

 

为什么需要读写锁?

Synchronized 和 ReentrantLock 都是独占锁,即在同一时刻只有一个线程获取到锁。

然而在有些业务场景中,我们大多在读取数据,很少写入数据,这种情况下,如果仍使用独占锁,效率将及其低下。

针对这种情况,Java提供了读写锁——ReentrantReadWriteLock。

主要解决:对共享资源有读和写的操作,且写操作没有读操作那么频繁的场景。

 

读写锁的特点

  • 公平性:读写锁支持非公平和公平的锁获取方式,非公平锁的吞吐量优于公平锁的吞吐量,默认构造的是非公平锁
  • 可重入:在线程获取读锁之后能够再次获取读锁,但是不能获取写锁,而线程在获取写锁之后能够再次获取写锁,同时也能获取读锁
  • 锁降级:线程获取写锁之后获取读锁,再释放写锁,这样实现了写锁变为读锁,也叫锁降级

 

读写锁的使用场景

ReentrantReadWriteLock适合读多写少的场景:

读锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock可以被多个线程同时持有, 所以并发能力很高。

写锁ReentrantReadWriteLock.WriteLock是独占锁, 在一个线程持有写锁时候, 其他线程都不能在抢占, 包含抢占读锁都会阻塞。

ReentrantReadWriteLock的使用场景总结:其实就是 读读并发、读写互斥、写写互斥而已,如果一个对象并发读的场景大于并发写的场景,那就可以使用 ReentrantReadWriteLock来达到保证线程安全的前提下提高并发效率。

 

读写锁的主要成员和结构图

1. ReentrantReadWriteLock的继承关系
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public interface ReadWriteLock {     /**      * Returns the lock used for reading.      *      * @return the lock used for reading.      */     Lock readLock();     /**      * Returns the lock used for writing.      *      * @return the lock used for writing.      */     Lock writeLock(); }

 

读写锁 ReadWriteLock

读写锁维护了一对相关的锁,一个用于只读操作,一个用于写入操作。

只要没有写入,读取锁可以由多个读线程同时保持,写入锁是独占的。

 

2.ReentrantReadWriteLock的核心变量
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ReentrantReadWriteLock类包含三个核心变量:

  1. ReaderLock:读锁,实现了Lock接口
  2. WriterLock:写锁,也实现了Lock接口
  3. Sync:继承自AbstractQueuedSynchronize(AQS),可以为公平锁FairSync 或 非公平锁NonfairSync

3.ReentrantReadWriteLock的成员变量和构造函数

/** 内部提供的读锁 */      private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;      /** 内部提供的写锁 */     private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;      /** AQS来实现的同步器 */     final Sync sync;      /**      * Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with      * 默认创建非公平的读写锁      */     public ReentrantReadWriteLock() {         this(false);     }      /**      * Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with      * the given fairness policy.      *      * @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy      */     public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {         sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();         readerLock = new ReadLock(this);         writerLock = new WriteLock(this);     }

 

读写锁的实现原理

ReentrantReadWriteLock实现关键点,主要包括:

  • 读写状态的设计
  • 写锁的获取与释放
  • 读锁的获取与释放
  • 锁降级

1.读写状态的设计

之前谈ReentrantLock的时候,Sync类是继承于AQS,主要以int state为线程锁状态,0表示没有被线程占用,1表示已经有线程占用。

同样ReentrantReadWriteLock也是继承于AQS来实现同步,那int state怎样同时来区分读锁和写锁的?

如果在一个整型变量上维护多种状态,就一定需要“按位切割使用”这个变量,ReentrantReadWriteLock将int类型的state将变量切割成两部分:

  • 高16位记录读锁状态
  • 低16位记录写锁状态

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abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {     // 版本序列号     private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;             // 高16位为读锁,低16位为写锁     static final int SHARED_SHIFT   = 16;     // 读锁单位     static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);     // 读锁最大数量     static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;     // 写锁最大数量     static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;     // 本地线程计数器     private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;     // 缓存的计数器     private transient HoldCounter cachedHoldCounter;     // 第一个读线程     private transient Thread firstReader = null;     // 第一个读线程的计数     private transient int firstReaderHoldCount; }

 

2.写锁的获取与释放

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {             /*              * Walkthrough:              * 1. If read count nonzero or write count nonzero              *    and owner is a different thread, fail.              * 2. If count would saturate, fail. (This can only              *    happen if count is already nonzero.)              * 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if              *    it is either a reentrant acquire or              *    queue policy allows it. If so, update state              *    and set owner.              */             Thread current = Thread.currentThread();             int c = getState();             //获取独占锁(写锁)的被获取的数量             int w = exclusiveCount(c);             if (c != 0) {                 // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)                 //1.如果同步状态不为0,且写状态为0,则表示当前同步状态被读锁获取                 //2.或者当前拥有写锁的线程不是当前线程                 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())                     return false;                 if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)                     throw new Error("Maximum lock count exceeded");                 // Reentrant acquire                 setState(c + acquires);                 return true;             }             if (writerShouldBlock() ||                 !compareAndSetState(c, c + acquires))                 return false;             setExclusiveOwnerThread(current);             return true;         }

 

1)c是获取当前锁状态,w是获取写锁的状态。

2)如果锁状态不为零,而写锁的状态为0,则表示读锁状态不为0,所以当前线程不能获取写锁。或者锁状态不为零,而写锁的状态也不为0,但是获取写锁的线程不是当前线程,则当前线程不能获取写锁。

3)写锁是一个可重入的排它锁,在获取同步状态时,增加了一个读锁是否存在的判断。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程类似,每次释放将写状态减1,直到写状态为0时,才表示该写锁被释放了。

3.读锁的获取与释放

protected final int tryAcquireShared(int unused) {     for(;;) {         int c = getState();         int nextc = c + (1<<16);         if(nextc < c) {            throw new Error("Maxumum lock count exceeded");         }         if(exclusiveCount(c)!=0 && owner != Thread.currentThread())            return -1;         if(compareAndSetState(c,nextc))            return 1;     } }

 

1)读锁是一个支持重进入的共享锁,可以被多个线程同时获取。

2)在没有写状态为0时,读锁总会被成功获取,而所做的也只是增加读状态(线程安全)

3)读状态是所有线程获取读锁次数的总和,而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中,由线程自身维护。

读锁的每次释放均减小状态(线程安全的,可能有多个读线程同时释放锁),减小的值是1<<16。

 

4.锁降级

降级是指当前把持住写锁,再获取到读锁,随后释放(先前拥有的)写锁的过程。

锁降级过程中的读锁的获取是否有必要,答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性,如果当前线程不获取读锁而直接释放写锁,假设此刻另一个线程获取的写锁,并修改了数据,那么当前线程就步伐感知到线程T的数据更新,如果当前线程遵循锁降级的步骤,那么线程T将会被阻塞,直到当前线程使数据并释放读锁之后,线程T才能获取写锁进行数据更新。

 

5.读锁与写锁的整体流程
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读写锁总结

本篇详细介绍了ReentrantReadWriteLock的特征、实现、锁的获取过程,通过4个关键点的核心设计:

  • 读写状态的设计
  • 写锁的获取与释放
  • 读锁的获取与释放
  • 锁降级

从而才能实现:共享资源有读和写的操作,且写操作没有读操作那么频繁的应用场景。

作者简介

陈睿|mikechen,10年+大厂架构经验,《BAT架构技术500期》系列文章作者,专注于互联网架构技术。

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