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在实际项目开发中,并发编程一定会用(提升程序的执行效率),而用到并发编程那么锁机制就一定会用,因为锁是保证并发编程的主要手段。

在 Java 中常用的锁有以下几个:

  1. synchronized(内置锁):Java 语言内置的关键字,JVM 层级锁实现,使用起来较为简单直观。
  2. ReentrantLock(可重入锁):需要显式地获取和释放锁,提供了更灵活的锁操作方式。
  3. ReentrantReadWriteLock(读写锁):性能较好,分为读锁和写锁,允许多个读线程同时获取读锁,而写锁具有排他性。
  4. StampedLock(邮戳锁):JDK 8 提供的锁,提供了一种乐观读的方式,先尝试读取,如果在读取过程中没有发生写操作,则可以直接完成读取,避免了获取读锁的开销。

而我们今天重点要讨论的是读写锁 ReentrantReadWriteLock 和它的实现原理。

1.读写锁介绍

ReentrantReadWriteLock(读写锁)是 Java 并发包(java.util.concurrent.locks)中的一个类,它实现了一个可重入的读写锁。读写锁允许多个线程同时读取共享资源,但在写入共享资源时只允许一个线程进行

它把锁分为两部分:读锁和写锁,其中读锁允许多个线程同时获得,因为读操作本身是线程安全的,而写锁则是互斥锁,不允许多个线程同时获得写锁,并且写操作和读操作也是互斥的。

也就是说读写锁的特征是:

  1. 读-读操作不加锁。
  2. 读-写操作加锁。
  3. 写-写操作加锁。

2.基本使用

ReentrantReadWriteLock 锁分为以下两种:

  1. ReentrantReadWriteLock.ReadLock 表示读锁:它提供了 lock 方法进行加锁、unlock 方法进行解锁。
  2. ReentrantReadWriteLock.WriteLock 表示写锁:它提供了 lock 方法进行加锁、unlock 方法进行解锁。

它的基础使用如下代码所示:

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 获得读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 获得写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 读锁使用
readLock.lock();
try {
    // 业务代码...
} finally {
    readLock.unlock();
}
// 写锁使用
writeLock.lock();
try {
    // 业务代码...
} finally {
    writeLock.unlock();
}

2.1 读读不互斥

多个线程可以同时获取到读锁,称之为读读不互斥,如下代码所示:

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下:
image.png

2.2 读写互斥

读锁和写锁同时使用是互斥的(也就是不能同时获得),这称之为读写互斥,如下代码所示:

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 创建写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 使用读锁
Thread t1 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t1.start();
// 使用写锁
Thread t2 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下:
image.png

2.3 写写互斥

多个线程同时使用写锁也是互斥的,这称之为写写互斥,如下代码所示:

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t1.start();

Thread t2 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下:
image.png

2.4 优点分析

  1. 提高了程序执行性能:多个读锁可以同时执行,相比于普通锁在任何情况下都要排队执行来说,读写锁提高了程序的执行性能。
  2. 避免读到临时数据:读锁和写锁是互斥排队执行的,这样可以保证了读取操作不会读到写了一半的临时数据。

    2.5 适用场景

    读写锁适合多读少写的业务场景,此时读写锁的优势最大。

    3.底层实现

    ReentrantReadWriteLock 是基于 AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现的,AQS 以单个 int 类型的原子变量来表示其状态,并通过 CAS 操作来保证线程安全。

这点也通过 ReentrantReadWriteLock 源码发现,ReentrantReadWriteLock 中的公平锁继承了 AbstractQueuedSynchronizer(AQS):

而 ReentrantReadWriteLock 中的非公平锁继承了公平锁(公平锁继承了 AbstractQueuedSynchronizer):

所以可以看出 ReentrantReadWriteLock 其底层主要是通过 AQS 实现的。

4.AQS

AbstractQueuedSynchronizer(AQS)是 Java 并发包中的一个抽象类,位于 java.util.concurrent.locks 包中。它为实现依赖于“独占”和“共享”模式的阻塞锁和相关同步器提供了一个框架。

AQS 是许多高级同步工具的基础,例如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch 和 Semaphore。

4.1 AQS 核心概念

AQS 中有两个最主要的内容:

  1. 同步状态(State):用于表示同步器的状态,例如锁的持有数量、资源的可用数量等。可以通过 getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法来操作。
  2. 等待队列(CLH 队列):由双向链表实现的等待线程队列。当线程获取同步状态失败时,会被封装成节点加入到等待队列中。

    4.2 AQS 工作流程

    AQS 工作流程主要分为以下两部分。

  3. 加锁与释放锁

    • 线程尝试获取同步状态,如果获取成功,则直接执行后续操作。
    • 如果获取失败,则将当前线程封装成节点加入等待队列,并阻塞当前线程。
    • 当持有锁的线程释放锁时,会唤醒等待队列中的后继节点线程,使其重新尝试获取锁。
  4. 等待与唤醒

    • 等待队列中的节点通过自旋和阻塞来等待被唤醒。
    • 唤醒操作会按照一定的规则选择等待队列中的节点进行唤醒。

      课后思考

      AQS 是如何实现独占锁和共享锁的?AQS 使用了什么设计模式?

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site,其中包含的内容有:Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

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