Java 并發包中的讀寫鎖及其實現分析

這期內容當中小編將會給大家帶來有關Java 并發包中的讀寫鎖及其實現分析，文章內容豐富且以專業的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

1. 前言

在Java并發包中常用的鎖（如：ReentrantLock），基本上都是排他鎖，這些鎖在同一時刻只允許一個線程進行訪問，而讀寫鎖在同一時  刻可以允許多個讀線程訪問，但是在寫線程訪問時，所有的讀線程和其他寫線程均被阻塞。讀寫鎖維護了一對鎖，一個讀鎖和一個寫鎖，通過分離讀鎖和寫鎖，使得  并發性相比一般的排他鎖有了很大提升。

除了保證寫操作對讀操作的可見性以及并發性的提升之外，讀寫鎖能夠簡化讀寫交互場景的編程方式。假設在程序中定義一個共享的數據結構用作緩存，它大部分時間提供讀服務（例如：查詢和搜索），而寫操作占有的時間很少，但是寫操作完成之后的更新需要對后續的讀服務可見。

在沒有讀寫鎖支持的（Java 5  之前）時候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知機制，就是當寫操作開始時，所有晚于寫操作的讀操作均會進入等待狀態，只有寫操作完成并進行   通知之后，所有等待的讀操作才能繼續執行（寫操作之間依靠synchronized關鍵字進行同步），這樣做的目的是使讀操作都能讀取到正確的數據，而不   會出現臟讀。改用讀寫鎖實現上述功能，只需要在讀操作時獲取讀鎖，而寫操作時獲取寫鎖即可，當寫鎖被獲取到時，后續（非當前寫操作線程）的讀寫操作都會被  阻塞，寫鎖釋放之后，所有操作繼續執行，編程方式相對于使用等待通知機制的實現方式而言，變得簡單明了。

一般情況下，讀寫鎖的性能都會比排它鎖要好，因為大多數場景讀是多于寫的。在讀多于寫的情況下，讀寫鎖能夠提供比排它鎖更好的并發性和吞吐量。Java并發包提供讀寫鎖的實現是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如表1所示。

表1. ReentrantReadWriteLock的特性

2. 讀寫鎖的接口與示例

ReadWriteLock僅定義了獲取讀鎖和寫鎖的兩個方法，即readLock()和writeLock()方法，而其實現—  ReentrantReadWriteLock，除了接口方法之外，還提供了一些便于外界監控其內部工作狀態的方法，這些方法以及描述如表2所示。

表2. ReentrantReadWriteLock展示內部工作狀態的方法

接下來通過一個緩存示例說明讀寫鎖的使用方式，示例代碼如代碼清單1所示。

代碼清單1. Cache.java

public class Cache {   static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();   static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();   static Lock r = rwl.readLock();   static Lock w = rwl.writeLock();   // 獲取一個key對應的value   public static final Object get(String key) {     r.lock();     try {       return map.get(key);     } finally {       r.unlock();     }   }   // 設置key對應的value，并返回舊有的value   public static final Object put(String key, Object value) {     w.lock();     try {       return map.put(key, value);     } finally {       w.unlock();     }   }   // 清空所有的內容   public static final void clear() {     w.lock();     try {       map.clear();     } finally {       w.unlock();     }   } }

上述示例中，Cache組合了一個非線程安全的HashMap作為緩存的實現，同時使用讀寫鎖的讀鎖和寫鎖來保證Cache是線程安全的。在讀操作  get(String key)方法中，需要獲取讀鎖，這使得并發訪問該方法時不會被阻塞。寫操作put(String key, Object  value)和clear()方法，在更新HashMap時必須提前獲取寫鎖，當寫鎖被獲取后，其他線程對于讀鎖和寫鎖的獲取均被阻塞，而只有寫鎖被釋放  之后，其他讀寫操作才能繼續。Cache使用讀寫鎖提升讀操作并發性，也保證每次寫操作對所有的讀寫操作的可見性，同時簡化了編程方式。

3. 讀寫鎖的實現分析

接下來將分析ReentrantReadWriteLock的實現，主要包括：讀寫狀態的設計、寫鎖的獲取與釋放、讀鎖的獲取與釋放以及鎖降級（以下沒有特別說明讀寫鎖均可認為是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 讀寫狀態的設計

讀寫鎖同樣依賴自定義同步器來實現同步功能，而讀寫狀態就是其同步器的同步狀態。回想ReentrantLock中自定義同步器的實現，同步狀態  表示鎖被一個線程重復獲取的次數，而讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態（一個整型變量）上維護多個讀線程和一個寫線程的狀態，使得該狀態的設計成為讀寫  鎖實現的關鍵。

如果在一個整型變量上維護多種狀態，就一定需要“按位切割使用”這個變量，讀寫鎖是將變量切分成了兩個部分，高16位表示讀，低16位表示寫，劃分方式如圖1所示。

圖1. 讀寫鎖狀態的劃分方式

如圖1所示，當前同步狀態表示一個線程已經獲取了寫鎖，且重進入了兩次，同時也連續獲取了兩次讀鎖。讀寫鎖是如何迅速的確定讀和寫各自的狀態呢？  答案是通過位運算。假設當前同步狀態值為S，寫狀態等于 S & 0x0000FFFF（將高16位全部抹去），讀狀態等于 S  >>> 16（無符號補0右移16位）。當寫狀態增加1時，等于S + 1，當讀狀態增加1時，等于S + (1 <<  16)，也就是S + 0&times;00010000。

根據狀態的劃分能得出一個推論：S不等于0時，當寫狀態(S & 0x0000FFFF)等于0時，則讀狀態(S >>> 16)大于0，即讀鎖已被獲取。

3.2 寫鎖的獲取與釋放

寫鎖是一個支持重進入的排它鎖。如果當前線程已經獲取了寫鎖，則增加寫狀態。如果當前線程在獲取寫鎖時，讀鎖已經被獲取（讀狀態不為0）或者該線程不是已經獲取寫鎖的線程，則當前線程進入等待狀態，獲取寫鎖的代碼如代碼清單2所示。

代碼清單2. ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {   Thread current = Thread.currentThread();   int c = getState();   int w = exclusiveCount(c);   if (c != 0) {     // 存在讀鎖或者當前獲取線程不是已經獲取寫鎖的線程     if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())       return false;     if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)       throw new Error("Maximum lock count exceeded");     setState(c + acquires);     return true;   }   if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {     return false;   }   setExclusiveOwnerThread(current);   return true; }

該方法除了重入條件（當前線程為獲取了寫鎖的線程）之外，增加了一個讀鎖是否存在的判斷。如果存在讀鎖，則寫鎖不能被獲取，原因在于：讀寫鎖要確保   寫鎖的操作對讀鎖可見，如果允許讀鎖在已被獲取的情況下對寫鎖的獲取，那么正在運行的其他讀線程就無法感知到當前寫線程的操作。因此只有等待其他讀線程都  釋放了讀鎖，寫鎖才能被當前線程所獲取，而寫鎖一旦被獲取，則其他讀寫線程的后續訪問均被阻塞。

寫鎖的釋放與ReentrantLock的釋放過程基本類似，每次釋放均減少寫狀態，當寫狀態為0時表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫線程能夠繼續訪問讀寫鎖，同時前次寫線程的修改對后續讀寫線程可見。

3.3 讀鎖的獲取與釋放

讀鎖是一個支持重進入的共享鎖，它能夠被多個線程同時獲取，在沒有其他寫線程訪問（或者寫狀態為0）時，讀鎖總會成功的被獲取，而所做的也只是  （線程安全的）增加讀狀態。如果當前線程已經獲取了讀鎖，則增加讀狀態。如果當前線程在獲取讀鎖時，寫鎖已被其他線程獲取，則進入等待狀態。獲取讀鎖的實  現從Java 5到Java  6變得復雜許多，主要原因是新增了一些功能，比如：getReadHoldCount()方法，返回當前線程獲取讀鎖的次數。讀狀態是所有線程獲取讀鎖次   數的總和，而每個線程各自獲取讀鎖的次數只能選擇保存在ThreadLocal中，由線程自身維護，這使獲取讀鎖的實現變得復雜。因此，這里將獲取讀鎖的  代碼做了刪減，保留必要的部分，代碼如代碼清單3所示。

代碼清單3. ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法

protected final int tryAcquireShared(int unused) {   for (;;) {     int c = getState();     int nextc = c + (1 << 16);     if (nextc < c)       throw new Error("Maximum lock count exceeded");     if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())       return -1;     if (compareAndSetState(c, nextc))       return 1;   } }

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他線程已經獲取了寫鎖，則當前線程獲取讀鎖失敗，進入等待狀態。如果當前線程獲取了寫鎖或者寫鎖未被獲取，則當前線程(線程安全，依靠CAS保證)增加讀狀態，成功獲取讀鎖。

讀鎖的每次釋放均（線程安全的，可能有多個讀線程同時釋放讀鎖）減少讀狀態，減少的值是(1 << 16)。

3.4 鎖降級

鎖降級指的是寫鎖降級成為讀鎖。如果當前線程擁有寫鎖，然后將其釋放，***再獲取讀鎖，這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級。鎖降級是指把持住（當前擁有的）寫鎖，再獲取到讀鎖，隨后釋放（先前擁有的）寫鎖的過程。

接下來看一個鎖降級的示例：因為數據不常變化，所以多個線程可以并發的進行數據處理，當數據變更后，當前線程如果感知到數據變化，則進行數據的準備工作，同時其他處理線程被阻塞，直到當前線程完成數據的準備工作，示例代碼如代碼清單4所示。

代碼清單4. processData方法

public void processData() {   readLock.lock();   if (!update) {     // 必須先釋放讀鎖     readLock.unlock();     // 鎖降級從寫鎖獲取到開始     writeLock.lock();     try {       if (!update) {         // 準備數據的流程（略）         update = true;       }       readLock.lock();     } finally {       writeLock.unlock();     }     // 鎖降級完成，寫鎖降級為讀鎖   }   try {     // 使用數據的流程（略）   } finally {     readLock.unlock();   } }

上述示例中，當數據發生變更后，update變量（布爾類型且Volatile修飾）被設置為false，此時所有訪問processData() 方法的線程都能夠感知到變化，但只有一個線程能夠獲取到寫鎖，而其他線程會被阻塞在讀鎖和寫鎖的lock()方法上。當前程獲取寫鎖完成數據準備之后，再 獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖，完成鎖降級。

鎖降級中讀鎖的獲取是否必要呢？答案是必要的。主要原因是保證數據的可見性，如果當前線程不獲取讀鎖而是直接釋放寫鎖，假設此刻另一個線程（記作  線程T）獲取了寫鎖并修改了數據，則當前線程無法感知線程T的數據更新。如果當前線程獲取讀鎖，即遵循鎖降級的步驟，則線程T將會被阻塞，直到當前線程使  用數據并釋放讀鎖之后，線程T才能獲取寫鎖進行數據更新。

RentrantReadWriteLock不支持鎖升級（把持讀鎖、獲取寫鎖，***釋放讀鎖的過程）。原因也是保證數據可見性，如果讀鎖已被多個線程獲取，其中任意線程成功獲取了寫鎖并更新了數據，則其更新對其他獲取到讀鎖的線程不可見。

上述就是小編為大家分享的Java 并發包中的讀寫鎖及其實現分析了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道。