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。

 

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

 

 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

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

 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

 

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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标签: Java

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