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Java中ReentrantReadWriteLock讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)

 更新時間:2025年05月23日 08:33:49   作者:Volunteer Technology  
本文主要介紹了ReentrantReadWriteLock讀寫鎖,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

一、鎖的分類

這里不會對Java中大部分的分類都聊清楚,主要把 **互斥,共享** 這種分類聊清楚。

Java中的互斥鎖,synchronized,ReentrantLock這種都是互斥鎖。一個線程持有鎖操作時,其他線程都需要等待前面的線程釋放鎖資源,才能重新嘗試競爭這把鎖。

Java中的讀寫鎖(支撐互斥&共享),Java中最常見的就是 **ReentrantReadWriteLock** ,StampedLock。

其中StampedLock是JDK1.8中推出的一款讀寫鎖的實(shí)現(xiàn),針對ReentrantReadWriteLock一個優(yōu)化。但是,今兒不細(xì)聊。主要玩ReentrantReadWriteLock。

ReentrantReadWriteLock主要就是解決咱們剛才聊的,讀寫操作都有,讀操作居多,寫操作頻次相對比較低的情況,可以使用讀寫鎖來提升系統(tǒng)性能。

讀寫鎖中:

* 寫寫互斥
* 讀寫互斥
* 寫讀互斥
* 讀讀共享
* 有鎖降級的情況,后面聊??!

二、ReentrantReadWriteLock的基本操作

ReentrantReadWriteLock中實(shí)現(xiàn)了ReadWriteLock的接口,在這個接口里面提供了兩個抽象方法。

正常的操作,是new ReentrantReadWriteLock的對象,但是你具體的業(yè)務(wù)操作是需要讀鎖,還是寫鎖,你需要單獨(dú)的獲取到,然后針對性的加鎖。

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     *
     * @return the lock used for reading
     */
    Lock readLock();

    /**
     * Returns the lock used for writing.
     *
     * @return the lock used for writing
     */
    Lock writeLock();
}

具體使用方式

public static void main(String[] args){
    // 1、構(gòu)建讀寫鎖對象
    ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

    // 2、單獨(dú)獲取讀、寫鎖對象
    ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
    ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();

    // 3、根據(jù)業(yè)務(wù)使用具體的鎖對象加鎖
    writeLock.lock();
    // try-finally的目的,是為了避免沒有及時釋放鎖資源導(dǎo)致死鎖的問題。
    try{
        // 4、業(yè)務(wù)操作…………
        System.out.println("寫操作");
    }finally {
        // 5、釋放鎖
        writeLock.unlock();
    }
}

三、ReentrantReadWriteLock的底層實(shí)現(xiàn)

ReentrantReadWriteLock是基于AQS實(shí)現(xiàn)的。

AQS是JUC包下的一個抽象類AbstractQueuedSynchronizer

暫時只關(guān)注兩點(diǎn),分別是AQS提供的state屬性,還有AQS提供的一個同步隊(duì)列。

state屬性,用來標(biāo)識當(dāng)前 讀寫鎖 的資源是否被占用的核心標(biāo)識。
private volatile int state;

一個int類型的state,是4字節(jié),每個字節(jié)占用8個bit位,一個state占用32個bit位。

* 高16位,作為讀鎖的標(biāo)記。
* 低16位,作為寫鎖的標(biāo)記。

static final int SHARED_SHIFT   = 16;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
00000000 00000000 11111111 11111111
/** 查看讀鎖的占用情況。 */
static int sharedCount(int state)    { return state >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int state) { return state & EXCLUSIVE_MASK; }

00000000 00000000 00000000 00000000    int類型的數(shù)值的32個bit位。 

讀鎖占用情況:
00000000 00000011 00000000 00000000    state
>>> 16 
00000000 00000000 00000000 00000011    讀鎖被獲取了三次。

寫鎖占用情況。(這里之所以&這個么東西,是對后期的鎖降級有影響~)
00000000 00000000 00000000 00000001    state
&
00000000 00000000 11111111 11111111  
=
00000000 00000000 00000000 00000001    寫鎖被獲取了一次。

一個同步隊(duì)列,當(dāng)線程獲取鎖資源失敗時,需要到這個同步隊(duì)列中排隊(duì)。到了合適的時機(jī),就會繼續(xù)嘗試獲取對應(yīng)的鎖資源。

四、ReentrantReadWriteLock的鎖重入

同一個線程,多次獲取同一把鎖時,就會出現(xiàn)鎖重入的情況。

而咱們大多數(shù)的鎖,都會提供鎖重入的功能。

鎖重入場景:

public class Demo {
    // 1、構(gòu)建讀寫鎖對象
    static ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

    // 2、單獨(dú)獲取讀、寫鎖對象
    static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock;
    static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock;

    static{
        // 2、單獨(dú)獲取讀、寫鎖對象
        readLock = readWriteLock.readLock();
        writeLock = readWriteLock.writeLock();
    }

    public static void main(String[] args){
        // 3、根據(jù)業(yè)務(wù)使用具體的鎖對象加鎖
        writeLock.lock();
        // try-finally的目的,是為了避免沒有及時釋放鎖資源導(dǎo)致死鎖的問題。
        try{
            // 4、業(yè)務(wù)操作…………調(diào)用其他方法
            xxx();
        }finally {
            // 5、釋放鎖
            writeLock.unlock();
        }
    }

    private static void xxx(){
        writeLock.lock();
        try{
            // 其他按業(yè)務(wù)
        }finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

咱們底層的鎖重入邏輯很簡單

**寫鎖:** 寫鎖的實(shí)現(xiàn)就是每一次獲取寫鎖時,會對state的低16位+1,再次獲取,再次+1。同理,每次釋放鎖資源時,也需要對state進(jìn)行-1。 而當(dāng)對state的低16位減到0時,鎖資源就釋放干凈了。

讀鎖: 首先,讀鎖是共享的,他用state的高16位來維護(hù)信息。如果高16位的state的值,經(jīng)過運(yùn)算,知道了是4,也就是讀鎖被獲取了4次。可能A線程獲取了2次讀鎖資源。 B線程獲取了2次讀鎖資源。高位的state自然就是4。但是因?yàn)槌绦騿T寫代碼除了問題,使用A線程,釋放了4次讀鎖資源,那此時B線程是不是就可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)安全問題了。

所以,為了解決上述的問題,每個線程需要獨(dú)立的記錄自己獲取了幾次讀鎖資源??梢允褂肨hreadLocal來保存線程局部的信息,每次加鎖時,ThreadLocal中需要存儲一個標(biāo)記,每次+1。每次釋放鎖時,也需要將ThreadLocal中的標(biāo)記進(jìn)行-1。讀線程最后是基于自己的ThreadLocal中的數(shù)值,來確認(rèn)讀鎖是否釋放干凈。

五、ReentrantReadWriteLock的寫鎖饑餓

寫鎖饑餓的問題。

如果寫線程在AQS中排隊(duì),并且排在head.next的位置。 那么其他想獲取讀鎖的讀線程需要排隊(duì)。避免大量的讀請求獲取讀鎖,讓寫線程一直AQS隊(duì)列中排隊(duì),無法執(zhí)行寫操作的問題。

通過源碼可以看到,讀寫鎖中,僅僅針對head.next這個節(jié)點(diǎn)的情況,來確認(rèn)讀線程獲取讀鎖時是否需要排隊(duì)

// 這個方法,總結(jié)一句話。  
// AQS中有排隊(duì)的Node,并且head的next節(jié)點(diǎn)是一個有線程并且在等待寫鎖的Node
final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {
    Node h, s;
    return (h = head) != null &&
        (s = h.next)  != null &&
        !s.isShared()         &&
        s.thread != null;
}

ReentrantReadWriteLock讀寫鎖中有鎖降級,但是這個和synchronized的鎖升級沒任何關(guān)系?。?!

六、ReentrantReadWriteLock的鎖降級

ReentrantReadWriteLock的鎖降級是指當(dāng)前線程如果持有了寫鎖,可以降級直接獲取到讀鎖。

在讀寫鎖中,持有寫鎖的同時,再去獲取讀鎖,這種行為一般被稱為 **鎖降級** 。

在讀寫鎖中,持有讀鎖的同時,去獲取寫鎖,這種行為被稱為 **鎖升級** ,這個行為是不允許的。

這里是獲取讀鎖的的邏輯,看一下鎖降級的支持方式

// 競爭讀鎖。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&   // 這行代表某個線程持有寫鎖
    getExclusiveOwnerThread() != current)    // 這行代表持有寫鎖的不是當(dāng)前線程
    // 退出競爭,無法獲取讀鎖
    return -1;  

前面邏輯沒有走return - 1之后,在后續(xù)就會正常的對state的高位+1,并且完成讀鎖的計(jì)數(shù)操作。

七、ReentrantReadWriteLock的優(yōu)化 

ReentrantReadWriteLock的優(yōu)化主要是在讀鎖計(jì)數(shù)層面上做的優(yōu)化。

這個對性能的優(yōu)化微乎其微,但是確確實(shí)實(shí)是一個優(yōu)化。

在獲取讀鎖時,因?yàn)槭枪蚕淼模@種優(yōu)化只針對第一個獲取讀鎖的線程和最后一個獲取讀鎖的線程。

針對第一個獲取讀鎖的線程,他采用一個全局變量記錄重入次數(shù)。這個操作可以節(jié)省掉使用ThreadLocal的時間成本和內(nèi)存成本。

其中firstReader記錄第一個獲取讀鎖的線程。

firstReaderHoldCount,記錄第一個獲取讀鎖的線程的重入次數(shù)。

這里是最后一個獲取讀鎖的線程需要走的邏輯

cachedHoldCounter這個屬性是記錄最后一個獲取讀鎖的線程的重入次數(shù)。

這里可以讓最后一個獲取讀鎖的線程在重入時,省略掉去ThreadLocal中g(shù)et計(jì)數(shù)器的操作,但是之前的set存儲操作,不能省略

// 獲取上次最后獲取讀鎖的線程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 查看當(dāng)前線程是否是之前的cachedHoldCounter
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
    // 說明不是,將當(dāng)前獲取讀鎖的線程設(shè)置為cachedHoldCounter
    cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
// 這個判斷代表第一次獲取讀鎖才會進(jìn)去
else if (rh.count == 0)
    // 如果是第一次獲取讀鎖,不是重入,還是需要扔到ThreadLocal里紀(jì)錄好,。
    readHolds.set(rh);
// 直接對獲取到的rh做++操作,代表獲取了一次讀鎖。
rh.count++;

到此這篇關(guān)于Java中ReentrantReadWriteLock讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ReentrantReadWriteLock讀寫鎖內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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