ReentrantReadWriteLock——读写锁如何升级,为何读写锁不能插队?

我们主要探讨读锁应该插队吗?以及什么是读写锁的升降级。

读锁插队策略:
    首先,我们来看一下读锁的插队策略,在这里先快速回顾一下在 24 课时公平与非公平锁中讲到的 ReentrantLock,如果锁被设置为非公平,那么它是可以在前面线程释放锁的瞬间进行插队的,而不需要进行排队。在读写锁这里,策略也是这样的吗?

  首先,我们看到 ReentrantReadWriteLock 可以设置为公平或者非公平,代码如下:

公平锁:

    复制  ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
非公平锁:

    复制ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(false);
    如果是公平锁,我们就在构造函数的参数中传入 true,如果是非公平锁,就在构造函数的参数中传入 false,默认是非公平锁。在获取读锁之前,线程会检查 readerShouldBlock() 方法,同样,在获取写锁之前,线程会检查 writerShouldBlock() 方法,来决定是否需要插队或者是去排队。

首先看公平锁对于这两个方法的实现:

final boolean writerShouldBlock() {
    return hasQueuedPredecessors();
}
final boolean readerShouldBlock() {
    return hasQueuedPredecessors();
}

    很明显,在公平锁的情况下,只要等待队列中有线程在等待,也就是 hasQueuedPredecessors() 返回 true 的时候,那么 writer 和 reader 都会 block,也就是一律不允许插队,都乖乖去排队,这也符合公平锁的思想。

    下面让我们来看一下非公平锁的实现:

final boolean writerShouldBlock() {
    return false; // writers can always barge
}
final boolean readerShouldBlock() {
    return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}

    在 writerShouldBlock() 这个方法中始终返回 false,可以看出,对于想获取写锁的线程而言,由于返回值是 false,所以它是随时可以插队的,这就和我们的 ReentrantLock 的设计思想是一样的,但是读锁却不一样。这里实现的策略很有意思,先让我们来看下面这种场景:

    假设线程 2 和线程 4 正在同时读取,线程 3 想要写入,但是由于线程 2 和线程 4 已经持有读锁了,所以线程 3 就进入等待队列进行等待。此时,线程 5 突然跑过来想要插队获取读锁:


面对这种情况有两种应对策略:

第一种策略:允许插队
    由于现在有线程在读,而线程 5 又不会特别增加它们读的负担,因为线程们可以共用这把锁,所以第一种策略就是让线程 5 直接加入到线程 2 和线程 4 一起去读取。

    这种策略看上去增加了效率,但是有一个严重的问题,那就是如果想要读取的线程不停地增加,比如线程 6,那么线程  6 也可以插队,这就会导致读锁长时间内不会被释放,导致线程 3 长时间内拿不到写锁,也就是那个需要拿到写锁的线程会陷入“饥饿”状态,它将在长时间内得不到执行。

第二种策略:不允许插队
    这种策略认为由于线程 3 已经提前等待了,所以虽然线程 5 如果直接插队成功,可以提高效率,但是我们依然让线程 5 去排队等待, 按照这种策略线程 5 会被放入等待队列中,并且排在线程 3 的后面,让线程 3 优先于线程 5 执行,这样可以避免“饥饿”状态,这对于程序的健壮性是很有好处的,直到线程 3 运行完毕,线程 5 才有机会运行,这样谁都不会等待太久的时间。

    所以我们可以看出,即便是非公平锁,只要等待队列的头结点是尝试获取写锁的线程,那么读锁依然是不能插队的,目的是避免“饥饿”。

策略选择演示
    策略的选择取决于具体锁的实现,ReentrantReadWriteLock 的实现选择了策略 2 ,是很明智的。

    下面我们就用实际的代码来演示一下上面这种场景。

    策略演示代码如下所示:

public class ReadLockJumpQueue {
 
    private static final ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock
            .readLock();
    private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock
            .writeLock();
 
    private static void read() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到读锁,正在读取");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            readLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
        }
    }
 
    private static void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到写锁,正在写入");
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            writeLock.unlock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> read(),"Thread-2").start();
        new Thread(() -> read(),"Thread-4").start();
        new Thread(() -> write(),"Thread-3").start();
        new Thread(() -> read(),"Thread-5").start();
    }
}

以上代码的运行结果是:

Thread-2得到读锁,正在读取
Thread-4得到读锁,正在读取
Thread-2释放读锁
Thread-4释放读锁
Thread-3得到写锁,正在写入
Thread-3释放写锁
Thread-5得到读锁,正在读取
Thread-5释放读锁

    从这个结果可以看出,ReentrantReadWriteLock 的实现选择了“不允许插队”的策略,这就大大减小了发生“饥饿”的概率。(如果运行结果和课程不一致,可以在每个线程启动后增加 100ms 的睡眠时间,以便保证线程的运行顺序)。

锁的升降级


    读写锁降级功能代码演示
    下面我们再来看一下锁的升降级,首先我们看一下这段代码,这段代码演示了在更新缓存的时候,如何利用锁的降级功能。

public class CachedData {
 
    Object data;
    volatile boolean cacheValid;
    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 
    void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        if (!cacheValid) {
            //在获取写锁之前,必须首先释放读锁。
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                //这里需要再次判断数据的有效性,因为在我们释放读锁和获取写锁的空隙之内,可能有其他线程修改了数据。
                if (!cacheValid) {
                    data = new Object();
                    cacheValid = true;
                }
                //在不释放写锁的情况下,直接获取读锁,这就是读写锁的降级。
                rwl.readLock().lock();
            } finally {
                //释放了写锁,但是依然持有读锁
                rwl.writeLock().unlock();
            }
        }
 
        try {
            System.out.println(data);
        } finally {
            //释放读锁
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

    在这段代码中有一个读写锁,最重要的就是中间的 processCachedData 方法,在这个方法中,会首先获取到读锁,也就是rwl.readLock().lock(),它去判断当前的缓存是否有效,如果有效那么就直接跳过整个 if 语句,如果已经失效,代表我们需要更新这个缓存了。由于我们需要更新缓存,所以之前获取到的读锁是不够用的,我们需要获取写锁。

    在获取写锁之前,我们首先释放读锁,然后利用 rwl.writeLock().lock()来获取到写锁,然后是经典的 try finally 语句,在 try 语句中我们首先判断缓存是否有效,因为在刚才释放读锁和获取写锁的过程中,可能有其他线程抢先修改了数据,所以在此我们需要进行二次判断。

    如果我们发现缓存是无效的,就用 new Object() 这样的方式来示意,获取到了新的数据内容,并把缓存的标记位设置为 ture,让缓存变得有效。由于我们后续希望打印出 data 的值,所以不能在此处释放掉所有的锁。我们的选择是在不释放写锁的情况下直接获取读锁,也就是rwl.readLock().lock() 这行语句所做的事情,然后,在持有读锁的情况下释放写锁,最后,在最下面的 try 中把 data 的值打印出来。

这就是一个非常典型的利用锁的降级功能的代码。

    你可能会想,我为什么要这么麻烦进行降级呢?我一直持有最高等级的写锁不就可以了吗?这样谁都没办法来影响到我自己的工作,永远是线程安全的。

为什么需要锁的降级?
    如果我们在刚才的方法中,一直使用写锁,最后才释放写锁的话,虽然确实是线程安全的,但是也是没有必要的,因为我们只有一处修改数据的代码:

    复制data = new Object();
    后面我们对于 data 仅仅是读取。如果还一直使用写锁的话,就不能让多个线程同时来读取了,持有写锁是浪费资源的,降低了整体的效率,所以这个时候利用锁的降级是很好的办法,可以提高整体性能。

支持锁的降级,不支持升级


    如果我们运行下面这段代码,在不释放读锁的情况下直接尝试获取写锁,也就是锁的升级,会让线程直接阻塞,程序是无法运行的。

final static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 
public static void main(String[] args) {
    upgrade();
}
 
public static void upgrade() {
    rwl.readLock().lock();
    System.out.println("获取到了读锁");
    rwl.writeLock().lock();
    System.out.println("成功升级");
}

    这段代码会打印出“获取到了读锁”,但是却不会打印出“成功升级”,因为 ReentrantReadWriteLock 不支持读锁升级到写锁。

为什么不支持锁的升级?
    我们知道读写锁的特点是如果线程都申请读锁,是可以多个线程同时持有的,可是如果是写锁,只能有一个线程持有,并且不可能存在读锁和写锁同时持有的情况。

    正是因为不可能有读锁和写锁同时持有的情况,所以升级写锁的过程中,需要等到所有的读锁都释放,此时才能进行升级。

    假设有 A,B 和 C 三个线程,它们都已持有读锁。假设线程 A 尝试从读锁升级到写锁。那么它必须等待 B 和 C 释放掉已经获取到的读锁。如果随着时间推移,B 和 C 逐渐释放了它们的读锁,此时线程 A 确实是可以成功升级并获取写锁。

    但是我们考虑一种特殊情况。假设线程 A 和 B 都想升级到写锁,那么对于线程 A 而言,它需要等待其他所有线程,包括线程 B 在内释放读锁。而线程 B 也需要等待所有的线程,包括线程 A 释放读锁。这就是一种非常典型的死锁的情况。谁都愿不愿意率先释放掉自己手中的锁。

     但是读写锁的升级并不是不可能的,也有可以实现的方案,如果我们保证每次只有一个线程可以升级,那么就可以保证线程安全。只不过最常见的 ReentrantReadWriteLock 对此并不支持。

总结:


  对于 ReentrantReadWriteLock 而言。

插队策略
    公平策略下,只要队列里有线程已经在排队,就不允许插队。
非公平策略下:
    如果允许读锁插队,那么由于读锁可以同时被多个线程持有,所以可能造成源源不断的后面的线程一直插队成功,导致读锁一直不能完全释放,从而导致写锁一直等待,为了防止“饥饿”,在等待队列的头结点是尝试获取写锁的线程的时候,不允许读锁插队。
    写锁可以随时插队,因为写锁并不容易插队成功,写锁只有在当前没有任何其他线程持有读锁和写锁的时候,才能插队成功,同时写锁一旦插队失败就会进入等待队列,所以很难造成“饥饿”的情况,允许写锁插队是为了提高效率。
    升降级策略:只能从写锁降级为读锁,不能从读锁升级为写锁。

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