在没有读写锁之前,我们假设使用普通的 ReentrantLock,那么虽然我们保证了线程安全,但是也浪费了一定的资源,因为如果多个读操作同时进行,其实并没有线程安全问题,我们可以允许让多个读操作并行,以便提高程序效率。 但是写操作不是线程安全的,如果多个线程同时写,或者在写的同时进行读操作,便会造成线程安全问题。

我们的读写锁就解决了这样的问题,它设定了一套规则,既可以保证多个线程同时读的效率,同时又可以保证有写入操作时的线程安全。 整体思路是它有两把锁,第 1 把锁是写锁,获得写锁之后,既可以读数据又可以修改数据,而第 2 把锁是读锁,获得读锁之后,只能查看数据,不能修改数据。读锁可以被多个线程同时持有,所以多个线程可以同时查看数据。 在读的地方合理使用读锁,在写的地方合理使用写锁,灵活控制,可以提高程序的执行效率。

1. 读写锁的获取规则

我们在使用读写锁时遵守下面的获取规则:

  • 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请读锁,可以申请成功。
  • 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁,因为读写不能同时操作。
  • 如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,都必须等待之前的线程释放写锁,同样也因为读写不能同时,并且两个线程不应该同时写。

所以我们用一句话总结:要么是一个或多个线程同时有读锁,要么是一个线程有写锁,但是两者不会同时出现。也可以总结为:读读共享、其他都互斥(写写互斥、读写互斥、写读互斥)。

Reader 线程正在读取,Writer 线程正在等待

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Writer 线程正在写入,Reader 线程正在等待

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相比于 ReentrantLock 适用于一般场合,ReadWriteLock 适用于读多写少的情况,合理使用可以进一步提高并发效率。

2. 读锁的插队策略

ReentrantReadWriteLock的Sync实现中中定义了两个抽象方法

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/*
* Acquires and releases use the same code for fair and
* nonfair locks, but differ in whether/how they allow barging
* when queues are non-empty.
*/

/**
* Returns true if the current thread, when trying to acquire
* the read lock, and otherwise eligible to do so, should block
* because of policy for overtaking other waiting threads.
*/
abstract boolean readerShouldBlock();

/**
* Returns true if the current thread, when trying to acquire
* the write lock, and otherwise eligible to do so, should block
* because of policy for overtaking other waiting threads.
*/
abstract boolean writerShouldBlock();

FairSync的实现

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

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。

NonfairSync的实现

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final boolean writerShouldBlock() {
return false; // writers can always barge
}
final boolean readerShouldBlock() {
/* As a heuristic to avoid indefinite writer starvation,
* block if the thread that momentarily appears to be head
* of queue, if one exists, is a waiting writer. This is
* only a probabilistic effect since a new reader will not
* block if there is a waiting writer behind other enabled
* readers that have not yet drained from the queue.
*/
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。

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:

  • 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。
  • 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”。

验证代码

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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();
}
}

3. 锁降级

锁降级的目的是保证本线程中对data修改了之后,在释放写锁之后数据仍然是一致的,即其他线程是不能获取写锁的。

锁降级是为了让当前线程感知到数据的变化。

ReentrantReadWriteLock的javadoc中有一段示例

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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();
}
}
}

如果先释放写锁,再释放读锁,可能在获取之前会有其他线程获取到写锁,阻塞读锁的获取,当前线程就无法感知数据的变化了,所以要先持有写锁保证数据无变化,在获取读锁,然后释放写锁

不支持锁升级

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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。

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。