读写锁在JDK文档中介绍的很清楚:
读写锁可以看成一种乐观锁,可以有效地帮助减少锁竞争,以提升系统性能。如果使用sychornized或者ReentrantLock则理论上来说所有的读、写之间都是串行操作,都是互斥的,但是读操作并不会对数据的完整性进行破坏,如果读操作还需要等待写操作,那这样肯定不是合理的。读写锁简单说就是读可以并发的读,但是写只能一个个写。
Read | Write | |
Read | 非阻塞 | 阻塞 |
Write | 阻塞 | 阻塞 |
ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法,即readLock()方法和writeLock()方法,而其实现ReentrantReadWriteLock,除了接口方法之外,还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法:
下面示例中,Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现,同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中,需要获取读锁,这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作put(String key,Object value)方法和clear()方法,在更新HashMap时必须提前获取写锁,当获取写锁后,其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞,而只有写锁被释放之后,其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性,也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性,同时简化了编程方式。
package dgb.test.concurrent;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* @author Dongguabai
* @date 2018/10/21 9:38
*/
public class ReadWriteLockCache {
private static Map<String,Object> CACHE = new HashMap<>();
private static ReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
private static Lock r = rw.readLock();
private static Lock w = rw.writeLock();
public static Object get(String key){
r.lock();
try {
return CACHE.get(key);
}finally {
r.unlock();
}
}
/**
* 返回之前的值
* @param key
* @param value
* @return
*/
public static Object put(String key, Object value){
w.lock();
try {
return CACHE.put(key,value);
}finally {
w.unlock();
}
}
public static void clear(){
w.lock();
try {
CACHE.clear();
}finally {
w.unlock();
}
}
}
读写状态的设计
读写锁同样依赖自定义同步器来实现同步功能,而读写状态就是其同步器的同步状态。回想ReentrantLock中自定义同步器的实现,同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数,而读写锁的自定义同步器需要在同步状态(一个整型变量)上维护多个读线程和一个写线程的状态,使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。
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,读写锁将变量切分成了两个部分,高16位表示读,低16位表示写:
当前同步状态表示一个线程已经获取了写锁,且重进人了两次,同时也连续获取了两次读锁。读写锁是如何迅速确定读和写各自的状态呢?答案是通过位运算。假设当前同步状态值为S,写状态等于S&0x0000FFFF(高16位全部抹去),读状态等于S>>>16(无符号补0右移16位)。当写状态增加1时,等于S+1,当读状态增加1时,等于S+(1+16),也就是S+0x00010000。
根据状态的划分能得出一个推论:S不等于0时,当写状态(S&0x0000FFFF)等于0时,则读状态(S>>>16)大于0,即读锁已被获取。
写锁的获取与释放
写锁是一个支持重进人的排它锁。如果当前线程已经获取了写锁,则增加写状态。如果当前线程在获取写锁时,读锁已经被获取(读状态不为0)或者该线程不是已经获取写锁的线程,则当前线程进人等待状态。获取写锁的代码如下(ReentrantReadWriteLock的tryAcquire()方法):
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();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
//存在读锁或者当前获取的线程不是已经获取写锁的过程
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;
}
该方法除了重人条件(当前线程为获取了写锁的线程)之外,增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁,则写锁不能被获取,原因在于:读写锁要确保写锁的操作对读锁可见,如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取,那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此,只有等待其他读线程都释放了读锁,写锁才能被当前线程获取,而写锁一旦被获取,则其他读写线程的后续访问均被阻塞。
写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似,每次释放均减少写状态,当写状态为0时表示写锁已被释放,从而等待的读写线程能够继续访问读写锁,同时前次写线程的修改对后续读写线程可见。
读锁的获取与释放
读锁是一个支持重进人的共享锁,它能够被多个线程同时获取,在没有其他写线程访问(或者写状态为0)时,读锁总会被成功地获取,而所做的也只是(线程安全的)增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁,则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时,写锁已被其他线程获取,则进人等待状态。获取读锁的实现从Java 5到Java 6变得复杂许多,主要原因是新增了一些功能,例如getReadHoldCount()方法,作用是返回当前线程获取读锁的次数。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,这使获取读锁的实现变得复杂。因此,这里将获取读锁的代码做了删减,保留必要的部分(ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared()方法):
在tryAcquireShared(int unused)方法中,如果其他线程已经获取了写锁,则当前线程获取读锁失败,进人等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取,则当前线程(线程安全,依靠CAS保证)增加读状态,成功获取读锁。
读锁的每次释放(线程安全的,可能有多个读线程同时释放读锁)均减少读状态,减少的值是(1<<16)。
锁降级
锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁,然后将其释放,最后再获取读锁,这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住(当前拥有的)写锁,再获取到读锁,随后释放(先前拥有的)写锁的过程。
接下来看一个锁降级的示例。因为数据不常变化,所以多个线程可以并发地进行数据处理,当数据变更后,如果当前线程感知到数据变化,则进行数据的准备工作,同时其他处理线程被阻塞,直到当前线程完成数据的准备工作。
上述示例中,当数据发生变更后,update变量(布尔类型且volatile修饰)被设置为false,此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化,但只有一个线程能够获取到写锁,其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后,再获取读锁,随后释放写锁,完成锁降级。
锁降级中读锁的获取是否必要呢?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是直接释放写锁,假设此刻另一个线程(记作线程T)获取了写锁并修改了数据,那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁,即遵循锁降级的步骤,则线程T将会被阻塞,直到当前线程使用数据并释放读锁之后,线程T才能获取写锁进行数据更新。
RentrantReadWriteLock不支持锁升级(把持读锁、获取写锁,最后释放读锁的过程)。目的也是保证数据可见性,如果读锁已被多个线程获取,其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据,则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。