ReentrantReadWriteLock

我們來(lái)探討一下java.concurrent.util包下的另一個(gè)鎖，叫做ReentrantReadWriteLock，也叫讀寫(xiě)鎖。

實(shí)際項(xiàng)目中常常有這樣一種場(chǎng)景：

比如有一個(gè)共享資源叫做Some Data，多個(gè)線程去操作Some Data，這個(gè)操作有讀操作也有寫(xiě)操作，并且是讀多寫(xiě)少的，那么在沒(méi)有寫(xiě)操作的時(shí)候，多個(gè)線程去讀Some Data是不會(huì)有線程安全問(wèn)題的，因?yàn)榫€程只是訪問(wèn)，并沒(méi)有修改，不存在競(jìng)爭(zhēng)，所以這種情況應(yīng)該允許多個(gè)線程同時(shí)讀取Some Data。

但是若某個(gè)瞬間，線程X正在修改Some Data的時(shí)候，那么就不允許其他線程對(duì)Some Data做任何操作，否則就會(huì)有線程安全問(wèn)題。

那么針對(duì)這種讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景，J.U.C包提供了ReentrantReadWriteLock，它包含了兩個(gè)鎖：

• ReadLock：讀鎖，也被稱(chēng)為共享鎖
• WriteLock：寫(xiě)鎖，也被稱(chēng)為排它鎖

下面我們看看，線程如果想獲取讀鎖，需要具備哪些條件：

• 不能有其他線程的寫(xiě)鎖沒(méi)有寫(xiě)請(qǐng)求；
• 或者有寫(xiě)請(qǐng)求，但調(diào)用線程和持有鎖的線程是同一個(gè)

再來(lái)看一下線程獲取寫(xiě)鎖的條件：

• 必須沒(méi)有其他線程的讀鎖
• 必須沒(méi)有其他線程的寫(xiě)鎖

這個(gè)比較容易理解，因?yàn)閷?xiě)鎖是排他的。

來(lái)看下面一段代碼：

public class ReentrantReadWriteLockTest {
    private Object data;
    //緩存是否有效
    private volatile boolean cacheValid;
    private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    public void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        //如果緩存無(wú)效，更新cache;否則直接使用data
        if (!cacheValid) {
            //獲取寫(xiě)鎖前必須釋放讀鎖
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            if (!cacheValid) {
                //更新數(shù)據(jù)
                data = new Object();
                cacheValid = true;
            }
            //鎖降級(jí)，在釋放寫(xiě)鎖前獲取讀鎖
            rwl.readLock().lock();
            //釋放寫(xiě)鎖，依然持有讀鎖
            rwl.writeLock().unlock();
        }
        // 使用緩存
        // ...
        // 釋放讀鎖
        rwl.readLock().unlock();
    }
}

這段代碼演示的是獲取緩存的時(shí)候，判斷緩存是否過(guò)期，如果已經(jīng)過(guò)期就更新緩存，如果沒(méi)有過(guò)期就使用緩存。
可以看到我們先創(chuàng)建了一個(gè)讀鎖，判斷如果緩存有效，就可以使用緩存，使用完之后再把讀鎖釋放。如果緩存無(wú)效，就更新緩存執(zhí)行寫(xiě)操作，所以先把讀鎖給釋放掉，然后創(chuàng)建一個(gè)寫(xiě)鎖，最后更新緩存，更新完緩存后又重新獲取了一個(gè)讀鎖并釋放掉寫(xiě)鎖。

從這段代碼里可以看出來(lái)，一個(gè)線程在拿到寫(xiě)鎖之后它還可以繼續(xù)獲得一個(gè)讀鎖。

小結(jié)

我們來(lái)總結(jié)一下ReentrantReadWriteLock的三個(gè)特性：

• 公平性
  

ReentrantReadWriteLock也可以在初始化時(shí)設(shè)置是否公平。

• 可重入性

讀鎖以及寫(xiě)鎖也是支持重入的，比如一個(gè)線程拿到寫(xiě)鎖后，他依然可以繼續(xù)拿寫(xiě)鎖，同理讀鎖也可以。

• 鎖降級(jí)
  

要想實(shí)現(xiàn)鎖降級(jí)，只需要先獲得寫(xiě)鎖，再獲得讀鎖，最后釋放寫(xiě)鎖，就可以把一個(gè)寫(xiě)鎖降級(jí)為讀鎖了。但是一個(gè)讀鎖是沒(méi)有辦法升級(jí)為寫(xiě)鎖的。

最后我們來(lái)對(duì)比一下ReentrantLock與ReentrantReadWriteLock

• ReentrantLock：完全互斥
• ReentrantReadWriteLock：讀鎖共享，寫(xiě)鎖互斥

因此在讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景下，ReentrantReadWriteLock的性能、吞吐量各方面都會(huì)比ReentrantLock要好很多。但是對(duì)于寫(xiě)多的場(chǎng)景ReentrantReadWriteLock就不那么明顯了。

StampedLock

上面我們已經(jīng)探討了ReentrantReadWriteLock能夠大幅度提升讀多寫(xiě)少場(chǎng)景下的性能，StampedLock是在JDK8引入的，可以認(rèn)為這是一個(gè)ReentrantReadWriteLock的增強(qiáng)版。

那么大家想，既然有了ReentrantReadWriteLock，為什么還要搞一個(gè)StampedLock呢？

這是因?yàn)镽eentrantReadWriteLock在一些特定的場(chǎng)景下存在問(wèn)題。

比如寫(xiě)線程的“饑餓”問(wèn)題。
舉個(gè)例子：假設(shè)現(xiàn)在有超級(jí)多的線程在操作ReentrantReadWriteLock，執(zhí)行讀操作的線程超級(jí)多，而執(zhí)行寫(xiě)操作的線程很少，而如果這個(gè)執(zhí)行寫(xiě)操作的線程想要拿到寫(xiě)鎖，而ReentrantReadWriteLock的寫(xiě)鎖是排他的，要想拿到寫(xiě)鎖就意味著其他線程不能有讀鎖也不能有寫(xiě)鎖，所以在讀線程超級(jí)多，寫(xiě)線程超級(jí)少的情況下就容易造成寫(xiě)線程饑餓問(wèn)題，也就是說(shuō)，執(zhí)行寫(xiě)操作的線程可能一直搶不到鎖，即使可以把公平性設(shè)置為true，但是這樣又會(huì)導(dǎo)致性能的下降。

那么我們看看StampedLock怎么玩：

首先，所有獲取鎖的方法都會(huì)返回stamp，它是一個(gè)數(shù)字，如果stamp=0說(shuō)明操作失敗了，其他的值表示操作成功。

其次就是所有獲取鎖的方法，需要用stamp作為參數(shù)，參數(shù)的值必須和獲得鎖時(shí)返回的stamp一致。

其中StampedLock提供了三種訪問(wèn)模式：

• Writing模式：類(lèi)似于ReentrantReadWriteLock的寫(xiě)鎖R
• eding（悲觀讀模式）：類(lèi)似于ReentrantReadWriteLock的讀鎖。
• Optimistic reading：樂(lè)觀讀模式

悲觀讀模式：在執(zhí)行悲觀讀的過(guò)程中，不允許有寫(xiě)操作

樂(lè)觀讀模式：在執(zhí)行樂(lè)觀讀的過(guò)程中，允許有寫(xiě)操作

通過(guò)介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，StampedLock中的悲觀讀與樂(lè)觀讀和我們操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的悲觀鎖、樂(lè)觀鎖有一定的相似之處。

此外StampedLock還提供了讀鎖和寫(xiě)鎖相互轉(zhuǎn)換的功能：

我們知道ReentrantReadWriteLock的寫(xiě)鎖是可以降級(jí)為讀鎖的，但是讀鎖沒(méi)辦法升級(jí)為寫(xiě)鎖，而StampedLock它提供了讀鎖和寫(xiě)鎖之間互相轉(zhuǎn)換的功能。

最后，StampedLock是不可重入的，這也是和ReentrantReadWriteLock的一個(gè)區(qū)別。

讀過(guò)源碼的同學(xué)可能知道，在StampedLock源碼里有一段注釋?zhuān)?br />

我們來(lái)看一下這段注釋?zhuān)麑?xiě)的非常經(jīng)典，演示了StampedLock API如何使用。

class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();
    void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
      //添加寫(xiě)鎖
      long stamp = sl.writeLock();
      try {
        x += deltaX;
        y += deltaY;
      } finally {
        //釋放寫(xiě)鎖
        sl.unlockWrite(stamp);
      }
    }
    double distanceFromOrigin() { // A read-only method
      //獲得一個(gè)樂(lè)觀鎖
      long stamp = sl.tryOptimisticRead();
      // 假設(shè)（x,y）=（10，10）
      // 但是這是一個(gè)樂(lè)觀讀鎖，（x,y）可能被其他線程修改為（20,20）
      double currentX = x, currentY = y;
      //因此這里要驗(yàn)證獲得樂(lè)觀鎖后，有沒(méi)有發(fā)生寫(xiě)操作
      if (!sl.validate(stamp)) {
         stamp = sl.readLock();
         try {
           currentX = x;
           currentY = y;
         } finally {
            sl.unlockRead(stamp);
         }
      }
      return Math.sqrt(currentX  currentX + currentY  currentY);
    }
    void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
      // Could instead start with optimistic, not read mode
      long stamp = sl.readLock();
      try {
        while (x == 0.0 && y == 0.0) {
          long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
          if (ws != 0L) {
            stamp = ws;
            x = newX;
            y = newY;
            break;
          }
          else {
            sl.unlockRead(stamp);
            stamp = sl.writeLock();
          }
        }
      } finally {
        sl.unlock(stamp);
      }
    }
}

這個(gè)類(lèi)有三個(gè)方法，move方法用來(lái)移動(dòng)一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，instanceFromOrigin用來(lái)計(jì)算這個(gè)點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，moveIfAtOrigin表示當(dāng)這個(gè)點(diǎn)位于原點(diǎn)的時(shí)候用來(lái)移動(dòng)這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

我們來(lái)分析一下源碼：

move方法是一個(gè)純粹的寫(xiě)操作，在操作之前添加寫(xiě)鎖，操作結(jié)束釋放寫(xiě)鎖；

instanceOrigin首先獲得一個(gè)樂(lè)觀鎖，然后開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，我們假設(shè)（x,y）=（10，10），但是這是一個(gè)樂(lè)觀讀鎖，（x,y）可能被其他線程修改為（20,20），所以他會(huì)驗(yàn)證獲得樂(lè)觀鎖后，有沒(méi)有發(fā)生寫(xiě)操作，如果validate結(jié)果為true的話，表示沒(méi)有發(fā)生過(guò)寫(xiě)操作，如果發(fā)生過(guò)寫(xiě)操作，那么就會(huì)改用悲觀讀鎖重讀數(shù)據(jù)，然后計(jì)算結(jié)果，當(dāng)然最后要把鎖釋放掉。

最后moveIfAtOrigin方法也比較簡(jiǎn)單，主要演示了怎么從悲觀讀鎖轉(zhuǎn)換成寫(xiě)鎖。

小結(jié)

StampedLock主要通過(guò)樂(lè)觀讀的方式提升性能，同時(shí)也解決了寫(xiě)線程的饑餓問(wèn)題，但是有得必有失，我們從示例代碼中不難看出，StampedLock使用起來(lái)要比ReentrantReadWriteLock復(fù)雜很多，所以使用者要在性能和復(fù)雜度之間做一個(gè)取舍。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來(lái)幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!