八、读写锁

文章目录

  • 8.1 介绍
  • 8.2 入门案例
  • 8.4 锁降级
  • 8.3 总结

8.1 介绍

public interface ReadWriteLock

ReadWriteLock 维护了一对相关的锁,一个用于只读操作,另一个用于写入操作。只要没有 writer,读取锁可以由多个 reader 线程同时保持。写入锁是独占的。
所有 ReadWriteLock 实现都必须保证 writeLock 操作的内存同步效果也要保持与相关 readLock 的联系。也就是说,成功获取读锁的线程会看到写入锁之前版本所做的所有更新。
与互斥锁相比,读-写锁允许对共享数据进行更高级别的并发访问。虽然一次只有一个线程(writer 线程)可以修改共享数据,但在许多情况下,任何数量的线程可以同时读取共享数据(reader 线程),读-写锁利用了这一点。从理论上讲,与互斥锁相比,使用读-写锁所允许的并发性增强将带来更大的性能提高。在实践中,只有在多处理器上并且只在访问模式适用于共享数据时,才能完全实现并发性增强。
与互斥锁相比,使用读-写锁能否提升性能则取决于读写操作期间读取数据相对于修改数据的频率,以及数据的争用——即在同一时间试图对该数据执行读取或写入操作的线程数。例如,某个最初用数据填充并且之后不经常对其进行修改的 collection,因为经常对其进行搜索(比如搜索某种目录),所以这样的 collection 是使用读-写锁的理想候选者。但是,如果数据更新变得频繁,数据在大部分时间都被独占锁,这时,就算存在并发性增强,也是微不足道的。更进一步地说,如果读取操作所用时间太短,则读-写锁实现(它本身就比互斥锁复杂)的开销将成为主要的执行成本,在许多读-写锁实现仍然通过一小段代码将所有线程序列化时更是如此。最终,只有通过分析和测量,才能确定应用程序是否适合使用读-写锁。
尽管读-写锁的基本操作是直截了当的,但实现仍然必须作出许多决策,这些决策可能会影响给定应用程序中读-写锁的效果。这些策略的例子包括:

  • 在 writer 释放写入锁时,reader 和 writer 都处于等待状态,在这时要确定是授予读取锁还是授予写入锁。Writer 优先比较高,因为预期写入所需的时间较短并且不那么频繁。Reader 优先不太高,因为如果 reader 正如预期的那样频繁和持续时间长,那么它将导致对于写入操作来说较长的时延,写操作会一直等待锁。公平或者“按次序”实现也是有可能的。
  • 在 reader 处于活动状态而 writer 处于等待状态时,确定是否向请求读取锁的 reader 授予读取锁。Reader 优先会无限期地延迟 writer,而 writer 优先会减少可能的并发。
  • 确定是否重新进入锁:可以使用带有写入锁的线程重新获取它吗?可以在保持写入锁的同时获取读取锁吗?可以重新进入写入锁本身吗?
  • 可以将写入锁在不允许其他 writer 干涉的情况下降级为读取锁吗?可以优先于其他等待的 reader 或 writer 将读取锁升级为写入锁吗?

当评估给定实现是否适合您的应用程序时,应该考虑所有这些情况。

方法摘要
Lock readLock()
返回用于读取操作的锁。
Lock writeLock()
返回用于写入操作的锁。
public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock,java.io.Serializable {
    /** 读锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    /** 写锁 */
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    final Sync sync;
    /** 使用默认(非公平)的排序属性创建一个新的
    ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock() {
    	this(false);
    }
    /** 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock */
    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }
    /** 返回用于写入操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { 
        return writerLock; 
    }
    /** 返回用于读取操作的锁 */
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() { 
        return readerLock; 
    }
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
    static final class NonfairSync extends Sync {}
    static final class FairSync extends Sync {}
    public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}
    public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

可以看到, ReentrantReadWriteLock 实现了 ReadWriteLock 接口,ReadWriteLock 接口定义了获取读锁和写锁的规范,具体需要实现类去实现;同时其还实现了 Serializable 接口,表示可以进行序列化,在源代码中可以看
到 ReentrantReadWriteLock 实现了自己的序列化逻辑。

8.2 入门案例

场景: 使用 ReentrantReadWriteLock 对一个 hashmap 进行读和写操作

/**
 * @author LWJ
 * @date 2023/6/21
 */

//资源类
class MyCache {
    //创建 map 集合
    private volatile Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    //创建读写锁对象
    private ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    //放数据
    public void put(String key, Object value) {
        //添加写锁
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程开始写入" + key);
            //暂停一会
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            //放数据
            map.put(key, value);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程写入完成" + key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放写锁
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    //取数据
    public Object get(String key) {
        //添加读锁
        rwLock.readLock().lock();
        Object result = null;
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程开始读取" + key);
            //暂停一会
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(300);
            result = map.get(key);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程读取完成" + key);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放读锁
            rwLock.readLock().unlock();
        }
        return result;
    }
}

public class ReadLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        MyCache myCache = new MyCache();

        for (int i = 1; i < 5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.put(String.valueOf(num),num);
            }, String.valueOf(num)).start();
        }

        for (int i = 1; i < 5; i++) {
            final int num = i;
            new Thread(() -> {
                myCache.get(String.valueOf(num));
            }, String.valueOf(num)).start();
        }
    }
}

八、读写锁_第1张图片

8.4 锁降级

八、读写锁_第2张图片

/**
 * @author LWJ
 * @date 2023/6/21
 * 演示锁升级
 */
public class LockUpdateDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //读写锁
        ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
        //读锁
        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = rwLock.readLock();
        //写锁
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = rwLock.writeLock();

        //先加写锁,再加读锁
        //writeLock.lock();
        //System.out.println("写...");
        //readLock.lock();
        //System.out.println("读...");

        //先加读锁,再加写锁
        readLock.lock();
        System.out.println("读...");
        writeLock.lock();
        System.out.println("写...");
    }
}

八、读写锁_第3张图片
八、读写锁_第4张图片

8.3 总结

  • 在线程持有读锁的情况下,该线程不能取得写锁(因为获取写锁的时候,如果发现当前的读锁被占用,就马上获取失败,不管读锁是不是被当前线程持有)。
  • 在线程持有写锁的情况下,该线程可以继续获取读锁(获取读锁时如果发现写锁被占用,只有写锁没有被当前线程占用的情况才会获取失败)。
    原因: 当线程获取读锁的时候,可能有其他线程同时也在持有读锁,因此不能把获取读锁的线程“升级” 为写锁;而对于获得写锁的线程,它一定独占了读写锁,因此可以继续让它获取读锁,当它同时获取了写锁和读锁后,还可以先释放写锁继续持有读锁,这样一个写锁就“降级” 为了读锁。
    八、读写锁_第5张图片

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