深入理解Java中的锁（三）
2024-09-01 04:08:49
ReadWriteLock接口
读写锁维护一对关联锁，一个只用于读操作，一个只用于写操作。读锁可以由多个线程同时持有，又称共享锁。写锁同一时间只能由一个线程持有，又称互斥锁。同一时间，两把锁不能被不同线程持有。读写锁适合读取操作多于写入操作的场景，改进互斥锁的性能，比如集合的并发安全性改造，缓存组件等。
ReentrantReadWriteLock实现原理分析
- ReentrantReadWriteLock需要一个owner用来标记那个写操作的线程获取到了锁，owner只会标记写操作的线程引用，不会标记读操作的线程，一个writeCount用来记录写操作加锁的次数， 一个readCount用来记录读操作加锁的次数，还有一个waiters等待队列用来存放没有抢到锁的线程列表
- 当有写操作线程进来时，会先判断readCount的值，如果readCount为0说明读锁未被占用
- 然后判断writeCount的值，如果writeCount为0，说明写锁未被占用
- 然后通过CAS操作进行抢锁将writeCount值加1，如果抢到锁则将owner设置为当前写操作线程的引用
- 如果writeCount不为0同时owner指向当前写线程的引用，则将writeCount的值加1
- 如果writeCount不为0同时owner指向的不是当前写线程的引用，则将则将线程放入等待队列
- 如果CAS抢锁失败，则将线程放入等待队列
- 如果写操作线程进来时，readCount不为0说明读锁已被占用，则将线程放入等待队列
- 当有读操作线程进来时，会先判断writeCount的值，如果writeCount为0说明写锁未被占用
- 然后通过CAS将readCount的值加1
- 如果读操作线程进来时，writeCount不为0说明写锁被占用
- 如果写锁是被当前线程占用则该线程可以继续获得读锁，即锁降级
- 如果写锁不是被当前线程占用，则将线程放入等待队列
- 当有写线程释放锁时，会将writeCount的值减1，如果writeCount的值为0，则将owner设为null同时唤醒等待队列头部的线程出队列进行抢锁操作
- 如果等待队列的头部线程是读操作，则会进行CAS操作将readCount值加1同时唤醒下一个等待线程
- 如果下一个线程还是读操作，则会进行CAS操作将readCount值加1并且继续唤醒下一个等待线程
- 如果下一个线程是写操作，则不会唤醒需要等到将读锁释放完之后才会唤醒
手动实现ReentrantReadWriteLock示例：
public class MyReadWriteLock {
private AtomicInteger readCount = new AtomicInteger(0);
private AtomicInteger writeCount = new AtomicInteger(0);
// 独占锁 拥有者
private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
// 等待队列
private volatile LinkedBlockingQueue<WaitNode> waiters = new LinkedBlockingQueue<WaitNode>();
class WaitNode {
int type = 0; // 0 为想获取独占锁的线程， 1为想获取共享锁的线程
Thread thread = null;
int arg = 0;
public WaitNode(Thread thread, int type, int arg) {
this.thread = thread;
this.type = type;
this.arg = arg;
}
}
// 获取独占锁
public void lockWrite() {
int arg = 1;
// 尝试获取独占锁，若成功，退出方法， 若失败...
if (!tryLockWrite(arg)) {
// 标记为独占锁
WaitNode waitNode = new WaitNode(Thread.currentThread(), 0, arg);
waiters.offer(waitNode); // 进入等待队列
// 循环尝试拿锁
for (; ; ) {
// 若队列头部是当前线程
WaitNode head = waiters.peek();
if (head != null && head.thread == Thread.currentThread()) {
if (!tryLockWrite(arg)) { // 再次尝试获取 独占锁
LockSupport.park(); // 若失败，挂起线程
} else { // 若成功获取
waiters.poll(); // 将当前线程从队列头部移除
return; // 并退出方法
}
} else { // 若不是队列头部元素
LockSupport.park(); // 将当前线程挂起
}
}
}
}
// 释放独占锁
public boolean unlockWrite() {
int arg = 1;
// 尝试释放独占锁 若失败返回true，若失败...
if (tryUnlockWrite(arg)) {
WaitNode next = waiters.peek(); // 取出队列头部的元素
if (next != null) {
Thread th = next.thread;
LockSupport.unpark(th); // 唤醒队列头部的线程
}
return true; // 返回true
}
return false;
}
// 尝试获取独占锁
public boolean tryLockWrite(int acquires) {
// 如果read count ！=0 返回false
if (readCount.get() != 0) return false;
int wct = writeCount.get(); // 拿到 独占锁 当前状态
if (wct == 0) {
if (writeCount.compareAndSet(wct, wct + acquires)) { // 通过修改state来抢锁
owner.set(Thread.currentThread()); // 抢到锁后，直接修改owner为当前线程
return true;
}
} else if (owner.get() == Thread.currentThread()) {
writeCount.set(wct + acquires); // 修改count值
return true;
}
return false;
}
// 尝试释放独占锁
public boolean tryUnlockWrite(int releases) {
// 若当前线程没有 持有独占锁
if (owner.get() != Thread.currentThread()) {
throw new IllegalMonitorStateException(); // 抛IllegalMonitorStateException
}
int wc = writeCount.get();
int nextc = wc - releases; // 计算 独占锁剩余占用
writeCount.set(nextc); // 不管是否完全释放，都更新count值
if (nextc == 0) { // 是否完全释放
owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);
return true;
} else {
return false;
}
}
// 获取共享锁
public void lockRead() {
int arg = 1;
if (tryLockRead(arg) < 0) { // 如果tryAcquireShare失败
// 将当前进程放入队列
WaitNode node = new WaitNode(Thread.currentThread(), 1, arg);
waiters.offer(node); // 加入队列
for (; ; ) {
// 若队列头部的元素是当前线程
WaitNode head = waiters.peek();
if (head != null && head.thread == Thread.currentThread()) {
if (tryLockRead(arg) >= 0) { // 尝试获取共享锁， 若成功
waiters.poll(); // 将当前线程从队列中移除
WaitNode next = waiters.peek();
if (next != null && next.type == 1) { // 如果下一个线程也是等待共享锁
LockSupport.unpark(next.thread); // 将其唤醒
}
return; // 退出方法
} else { // 若尝试失败
LockSupport.park(); // 挂起线程
}
} else { // 若不是头部元素
LockSupport.park();
}
}
}
}
// 解锁共享锁
public boolean unLockRead() {
int arg = 1;
if (tryUnLockRead(arg)) { // 当read count变为0，才叫release share成功
WaitNode next = waiters.peek();
if (next != null) {
LockSupport.unpark(next.thread);
}
return true;
}
return false;
}
// 尝试获取共享锁
public int tryLockRead(int acquires) {
for (; ; ) {
if (writeCount.get() != 0 && owner.get() != Thread.currentThread()) return -1;
int rct = readCount.get();
if (readCount.compareAndSet(rct, rct + acquires)) {
return 1;
}
}
}
// 尝试解锁共享锁
public boolean tryUnLockRead(int releases) {
for (; ; ) {
int rc = readCount.get();
int nextc = rc - releases;
if (readCount.compareAndSet(rc, nextc)) {
return nextc == 0;
}
}
}
}
锁降级
锁降级指的是写锁降级为读锁，是指持有写锁的同时，再获取读锁，随后释放写锁的过程。
写锁是线程独占，读锁是线程共享，所以写锁降级为读锁可行，而读锁升级为写锁不可行。
代码示例：
class TeacherInfoCache {
static volatile boolean cacheValid;
static final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Object get(String dataKey) {
Object data = null;
// 读取数据，加读锁
rwl.readLock().lock();
try {
if (cacheValid) {
data = Redis.data.get(dataKey);
} else {
// 通过加锁的方式去访问DB，加写锁
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try {
if (!cacheValid) {
data = DataBase.queryUserInfo();
Redis.data.put(dataKey, data);
cacheValid = true;
}
} finally {
// 锁降级
rwl.readLock().lock();
rwl.writeLock().unlock();
}
}
return data;
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}
class DataBase {
static String queryUserInfo() {
System.out.println("查询数据库。。。");
return "name:Kody,age:40,gender:true,";
}
}
class Redis {
static Map<String, Object> data = new HashMap<>();
}
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