Java中的读写锁

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本文深入探讨Java中读写锁的实现原理，包括基本概念、重入机制、锁升级与降级等内容，并提供了完整的可重入读写锁实现代码。

Java中的读/写锁

原文链接 作者：Jakob Jenkov 译者：微凉 校对：丁一

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源，就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（译者注：也就是说：读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。这就需要一个读/写锁来解决这个问题。

Java5在java.util.concurrent包中已经包含了读写锁。尽管如此，我们还是应该了解其实现背后的原理。

以下是本文的主题

  1. 读/写锁的Java实现(Read / Write Lock Java Implementation)
  2. 读/写锁的重入(Read / Write Lock Reentrance)
  3. 读锁重入(Read Reentrance)
  4. 写锁重入(Write Reentrance)
  5. 读锁升级到写锁(Read to Write Reentrance)
  6. 写锁降级到读锁(Write to Read Reentrance)
  7. 可重入的ReadWriteLock的完整实现(Fully Reentrant ReadWriteLock)
  8. 在finally中调用unlock() (Calling unlock() from a finally-clause)
读/写锁的Java实现

先让我们对读写访问资源的条件做个概述：

读取 没有线程正在做写操作，且没有线程在请求写操作。

写入 没有线程正在做读写操作。

如果某个线程想要读取资源，只要没有线程正在对该资源进行写操作且没有线程请求对该资源的写操作即可。我们假设对写操作的请求比对读操作的请求更重要，就要提升写请求的优先级。此外，如果读操作发生的比较频繁，我们又没有提升写操作的优先级，那么就会产生“饥饿”现象。请求写操作的线程会一直阻塞，直到所有的读线程都从ReadWriteLock上解锁了。如果一直保证新线程的读操作权限，那么等待写操作的线程就会一直阻塞下去，结果就是发生“饥饿”。因此，只有当没有线程正在锁住ReadWriteLock进行写操作，且没有线程请求该锁准备执行写操作时，才能保证读操作继续。

当其它线程没有对共享资源进行读操作或者写操作时，某个线程就有可能获得该共享资源的写锁，进而对共享资源进行写操作。有多少线程请求了写锁以及以何种顺序请求写锁并不重要，除非你想保证写锁请求的公平性。

按照上面的叙述，简单的实现出一个读/写锁，代码如下

01 public class ReadWriteLock{
02     private int readers = 0;
03     private int writers = 0;
04     private int writeRequests = 0;
05 
06     public synchronized void lockRead()
07         throws InterruptedException{
08         while(writers > 0 || writeRequests > 0){
09             wait();
10         }
11         readers++;
12     }
13 
14     public synchronized void unlockRead(){
15         readers--;
16         notifyAll();
17     }
18 
19     public synchronized void lockWrite()
20         throws InterruptedException{
21         writeRequests++;
22 
23         while(readers > 0 || writers > 0){
24             wait();
25         }
26         writeRequests--;
27         writers++;
28     }
29 
30     public synchronized void unlockWrite()
31         throws InterruptedException{
32         writers--;
33         notifyAll();
34     }
35}

ReadWriteLock类中，读锁和写锁各有一个获取锁和释放锁的方法。

读锁的实现在lockRead()中,只要没有线程拥有写锁（writers==0），且没有线程在请求写锁（writeRequests ==0），所有想获得读锁的线程都能成功获取。

写锁的实现在lockWrite()中,当一个线程想获得写锁的时候，首先会把写锁请求数加1（writeRequests++），然后再去判断是否能够真能获得写锁，当没有线程持有读锁（readers==0 ）,且没有线程持有写锁（writers==0）时就能获得写锁。有多少线程在请求写锁并无关系。

需要注意的是，在两个释放锁的方法（unlockRead，unlockWrite）中，都调用了notifyAll方法，而不是notify。要解释这个原因，我们可以想象下面一种情形：

如果有线程在等待获取读锁，同时又有线程在等待获取写锁。如果这时其中一个等待读锁的线程被notify方法唤醒，但因为此时仍有请求写锁的线程存在（writeRequests>0），所以被唤醒的线程会再次进入阻塞状态。然而，等待写锁的线程一个也没被唤醒，就像什么也没发生过一样（译者注：信号丢失现象）。如果用的是notifyAll方法，所有的线程都会被唤醒，然后判断能否获得其请求的锁。

用notifyAll还有一个好处。如果有多个读线程在等待读锁且没有线程在等待写锁时，调用unlockWrite()后，所有等待读锁的线程都能立马成功获取读锁 —— 而不是一次只允许一个。

读/写锁的重入

上面实现的读/写锁(ReadWriteLock) 是不可重入的，当一个已经持有写锁的线程再次请求写锁时，就会被阻塞。原因是已经有一个写线程了——就是它自己。此外，考虑下面的例子：

  1. Thread 1 获得了读锁
  2. Thread 2 请求写锁，但因为Thread 1 持有了读锁，所以写锁请求被阻塞。
  3. Thread 1 再想请求一次读锁，但因为Thread 2处于请求写锁的状态，所以想再次获取读锁也会被阻塞。

上面这种情形使用前面的ReadWriteLock就会被锁定——一种类似于死锁的情形。不会再有线程能够成功获取读锁或写锁了。

为了让ReadWriteLock可重入，需要对它做一些改进。下面会分别处理读锁的重入和写锁的重入。

读锁重入

为了让ReadWriteLock的读锁可重入，我们要先为读锁重入建立规则：

  • 要保证某个线程中的读锁可重入，要么满足获取读锁的条件（没有写或写请求），要么已经持有读锁（不管是否有写请求）。

要确定一个线程是否已经持有读锁，可以用一个map来存储已经持有读锁的线程以及对应线程获取读锁的次数，当需要判断某个线程能否获得读锁时，就利用map中存储的数据进行判断。下面是方法lockRead和unlockRead修改后的的代码：

01 public class ReadWriteLock{
02     private Map<Thread, Integer> readingThreads =
03         new HashMap<Thread, Integer>();
04 
05     private int writers = 0;
06     private int writeRequests = 0;
07 
08     public synchronized void lockRead()
09         throws InterruptedException{
10         Thread callingThread = Thread.currentThread();
11         while(! canGrantReadAccess(callingThread)){
12             wait();                                                                  
13         }
14 
15         readingThreads.put(callingThread,
16             (getAccessCount(callingThread) + 1));
17     }
18 
19     public synchronized void unlockRead(){
20         Thread callingThread = Thread.currentThread();
21         int accessCount = getAccessCount(callingThread);
22         if(accessCount == 1) {
23             readingThreads.remove(callingThread);
24         } else {
25             readingThreads.put(callingThread, (accessCount -1));
26         }
27         notifyAll();
28     }
29 
30     private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
31         if(writers > 0) return false;
32         if(isReader(callingThread) return true;
33         if(writeRequests > 0) return false;
34         return true;
35     }
36 
37     private int getReadAccessCount(Thread callingThread){
38         Integer accessCount = readingThreads.get(callingThread);
39         if(accessCount == null) return 0;
40         return accessCount.intValue();
41     }
42 
43     private boolean isReader(Thread callingThread){
44         return readingThreads.get(callingThread) != null;
45     }
46}

代码中我们可以看到，只有在没有线程拥有写锁的情况下才允许读锁的重入。此外，重入的读锁比写锁优先级高。

写锁重入

仅当一个线程已经持有写锁，才允许写锁重入（再次获得写锁）。下面是方法lockWrite和unlockWrite修改后的的代码。

01 public class ReadWriteLock{
02     private Map<Thread, Integer> readingThreads =
03         new HashMap<Thread, Integer>();
04 
05     private int writeAccesses    = 0;
06     private int writeRequests    = 0;
07     private Thread writingThread = null;
08 
09     public synchronized void lockWrite()
10         throws InterruptedException{
11         writeRequests++;
12         Thread callingThread = Thread.currentThread();
13         while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
14             wait();
15         }
16         writeRequests--;
17         writeAccesses++;
18         writingThread = callingThread;
19     }
20 
21     public synchronized void unlockWrite()
22         throws InterruptedException{
23         writeAccesses--;
24         if(writeAccesses == 0){
25             writingThread = null;
26         }
27         notifyAll();
28     }
29 
30     private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
31         if(hasReaders()) return false;
32         if(writingThread == null)    return true;
33         if(!isWriter(callingThread)) return false;
34         return true;
35     }
36 
37     private boolean hasReaders(){
38         return readingThreads.size() > 0;
39     }
40 
41     private boolean isWriter(Thread callingThread){
42         return writingThread == callingThread;
43     }
44}

注意在确定当前线程是否能够获取写锁的时候，是如何处理的。

读锁升级到写锁

有时，我们希望一个拥有读锁的线程，也能获得写锁。想要允许这样的操作，要求这个线程是唯一一个拥有读锁的线程。writeLock()需要做点改动来达到这个目的：

01 public class ReadWriteLock{
02     private Map<Thread, Integer> readingThreads =
03         new HashMap<Thread, Integer>();
04 
05     private int writeAccesses    = 0;
06     private int writeRequests    = 0;
07     private Thread writingThread = null;
08 
09     public synchronized void lockWrite()
10         throws InterruptedException{
11         writeRequests++;
12         Thread callingThread = Thread.currentThread();
13         while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
14             wait();
15         }
16         writeRequests--;
17         writeAccesses++;
18         writingThread = callingThread;
19     }
20 
21     public synchronized void unlockWrite() throws InterruptedException{
22         writeAccesses--;
23         if(writeAccesses == 0){
24             writingThread = null;
25         }
26         notifyAll();
27     }
28 
29     private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
30         if(isOnlyReader(callingThread)) return true;
31         if(hasReaders()) return false;
32         if(writingThread == null) return true;
33         if(!isWriter(callingThread)) return false;
34         return true;
35     }
36 
37     private boolean hasReaders(){
38         return readingThreads.size() > 0;
39     }
40 
41     private boolean isWriter(Thread callingThread){
42         return writingThread == callingThread;
43     }
44 
45     private boolean isOnlyReader(Thread thread){
46         return readers == 1 && readingThreads.get(callingThread) != null;
47     }
48}

现在ReadWriteLock类就可以从读锁升级到写锁了。

写锁降级到读锁

有时拥有写锁的线程也希望得到读锁。如果一个线程拥有了写锁，那么自然其它线程是不可能拥有读锁或写锁了。所以对于一个拥有写锁的线程，再获得读锁，是不会有什么危险的。我们仅仅需要对上面canGrantReadAccess方法进行简单地修改：

1 public class ReadWriteLock{
2     private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
3         if(isWriter(callingThread)) return true;
4         if(writingThread != null) return false;
5         if(isReader(callingThread) return true;
6         if(writeRequests > 0) return false;
7         return true;
8     }
9}
可重入的ReadWriteLock的完整实现

下面是完整的ReadWriteLock实现。为了便于代码的阅读与理解，简单对上面的代码做了重构。重构后的代码如下。

001 public class ReadWriteLock{
002     private Map<Thread, Integer> readingThreads =
003         new HashMap<Thread, Integer>();
004 
005     private int writeAccesses    = 0;
006     private int writeRequests    = 0;
007     private Thread writingThread = null;
008 
009     public synchronized void lockRead()
010         throws InterruptedException{
011         Thread callingThread = Thread.currentThread();
012         while(! canGrantReadAccess(callingThread)){
013             wait();
014         }
015 
016         readingThreads.put(callingThread,
017             (getReadAccessCount(callingThread) + 1));
018     }
019 
020     private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
021         if(isWriter(callingThread)) return true;
022         if(hasWriter()) return false;
023         if(isReader(callingThread)) return true;
024         if(hasWriteRequests()) return false;
025         return true;
026     }
027 
028 
029     public synchronized void unlockRead(){
030         Thread callingThread = Thread.currentThread();
031         if(!isReader(callingThread)){
032             throw new IllegalMonitorStateException(
033                 "Calling Thread does not" +
034                 " hold a read lock on this ReadWriteLock");
035         }
036         int accessCount = getReadAccessCount(callingThread);
037         if(accessCount == 1){
038             readingThreads.remove(callingThread);
039         } else {
040             readingThreads.put(callingThread, (accessCount -1));
041         }
042         notifyAll();
043     }
044 
045     public synchronized void lockWrite()
046         throws InterruptedException{
047         writeRequests++;
048         Thread callingThread = Thread.currentThread();
049         while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
050             wait();
051         }
052         writeRequests--;
053         writeAccesses++;
054         writingThread = callingThread;
055     }
056 
057     public synchronized void unlockWrite()
058         throws InterruptedException{
059         if(!isWriter(Thread.currentThread()){
060         throw new IllegalMonitorStateException(
061             "Calling Thread does not" +
062             " hold the write lock on this ReadWriteLock");
063         }
064         writeAccesses--;
065         if(writeAccesses == 0){
066             writingThread = null;
067         }
068         notifyAll();
069     }
070 
071     private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
072         if(isOnlyReader(callingThread)) return true;
073         if(hasReaders()) return false;
074         if(writingThread == null) return true;
075         if(!isWriter(callingThread)) return false;
076         return true;
077     }
078 
079 
080     private int getReadAccessCount(Thread callingThread){
081         Integer accessCount = readingThreads.get(callingThread);
082         if(accessCount == null) return 0;
083         return accessCount.intValue();
084     }
085 
086 
087     private boolean hasReaders(){
088         return readingThreads.size() > 0;
089     }
090 
091     private boolean isReader(Thread callingThread){
092         return readingThreads.get(callingThread) != null;
093     }
094 
095     private boolean isOnlyReader(Thread callingThread){
096         return readingThreads.size() == 1 &&
097             readingThreads.get(callingThread) != null;
098     }
099 
100     private boolean hasWriter(){
101         return writingThread != null;
102     }
103 
104     private boolean isWriter(Thread callingThread){
105         return writingThread == callingThread;
106     }
107 
108     private boolean hasWriteRequests(){
109         return this.writeRequests > 0;
110     }
111}
在finally中调用unlock()

在利用ReadWriteLock来保护临界区时，如果临界区可能抛出异常，在finally块中调用readUnlock()和writeUnlock()就显得很重要了。这样做是为了保证ReadWriteLock能被成功解锁，然后其它线程可以请求到该锁。这里有个例子：

1lock.lockWrite();
2 try{
3     //do critical section code, which may throw exception
4 } finally {
5     lock.unlockWrite();
6}

上面这样的代码结构能够保证临界区中抛出异常时ReadWriteLock也会被释放。如果unlockWrite方法不是在finally块中调用的，当临界区抛出了异常时，ReadWriteLock 会一直保持在写锁定状态，就会导致所有调用lockRead()或lockWrite()的线程一直阻塞。唯一能够重新解锁ReadWriteLock的因素可能就是ReadWriteLock是可重入的，当抛出异常时，这个线程后续还可以成功获取这把锁，然后执行临界区以及再次调用unlockWrite()，这就会再次释放ReadWriteLock。但是如果该线程后续不再获取这把锁了呢？所以，在finally中调用unlockWrite对写出健壮代码是很重要的。

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08-15
<think>我们正在讨论Java的读写锁（ReadWriteLock）机制。根据用户的问题，我们需要解释其实现原理和使用场景。同时，用户提供了几个引用，我们可以从中提取相关信息。 引用[1]介绍了读写锁的基本概念：读写锁分为读锁和写锁，读锁是共享的，允许多个线程同时获取；写锁是独占的，不允许多个线程同时获取，并且写锁与读锁是互斥的。 引用[2]说明了在Java 5之前，使用等待通知机制来实现类似功能，但使用读写锁可以简化编程。 引用[3]是一篇关于Golang和Java读写锁对比的文章摘要，但用户的问题集中在Java上，我们可以忽略Golang部分。 引用[4]提到了锁降级，即持有写锁的线程可以获取读锁然后释放写锁，这样就从写锁降级为读锁，这有助于提高并发性能。 引用[5]展示了一个使用ReentrantReadWriteLock的示例，其中自定义了一个线程安全的ArrayList。 根据这些引用和用户的问题，我们将组织以下内容： 1. 读写锁的概念 2. 读写锁的实现原理（重点在Java的ReentrantReadWriteLock） 3. 读写锁的使用场景 4. 锁降级的概念和实现方式 5. 示例代码 由于用户要求尽可能参考上一次的问题和回答，但上一次我们讨论的是自旋锁，而这次是读写锁，两者不同，所以我们将专注于读写锁。 实现原理部分，我们将深入ReentrantReadWriteLock的内部机制，包括状态分割、锁重入、公平性等。 使用场景部分，我们将对比读写锁和普通互斥锁，以及读写锁的适用场景。 最后，我们将提供一个示例代码，并生成相关问题。 注意：用户要求使用LaTeX格式的数学表达式，但读写锁原理中数学表达式较少，如果有必要，我们可以用状态变量等说明。 开始回答：</think>### Java 读写锁机制详解 #### 一、核心概念 读写锁（`ReadWriteLock`）是一种**分离锁机制**，将访问控制分为两类： 1. **读锁（共享锁）**：允许多个线程同时获取，用于只读操作[^1] ```java ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock(); ``` 2. **写锁（排他锁）**：同一时间仅允许一个线程持有，用于写操作[^1] ```java ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock(); ``` 锁互斥关系矩阵： | 当前持有锁 | 请求读锁 | 请求写锁 | |------------|----------|----------| | **无锁** | ✓ | ✓ | | **读锁** | ✓ | ✗ | | **写锁** | ✗ | ✗ | #### 二、实现原理（以`ReentrantReadWriteLock`为例） ##### 1. 状态分割 使用单个`int`变量同时维护读写状态： - **高16位**：读锁计数（最大支持$2^{16}-1=65535$个读线程） - **低16位**：写锁重入计数 ```java static final int SHARED_SHIFT = 16; static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); // 0x00010000 static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 0x0000FFFF ``` ##### 2. 锁获取逻辑 **写锁获取**（简化伪代码）： ```java protected boolean tryAcquire(int acquires) { if (getState() != 0) { // 存在读锁或写锁 if (getExclusiveOwnerThread() != currentThread) return false; // 非重入写锁请求失败 } compareAndSetState(0, acquires); // CAS更新状态 setExclusiveOwnerThread(currentThread); return true; } ``` **读锁获取**核心流程： ```mermaid graph TD A[请求读锁] --> B{写锁是否被占用?} B -->|是| C[阻塞当前线程] B -->|否| D{读锁计数 < 65535?} D -->|是| E[CAS增加读计数] D -->|否| F[抛出Error] E --> G[更新当前线程重入计数] ``` #### 三、关键特性 1. **锁降级** 写锁线程可获取读锁后释放写锁，保持数据一致性[^4]： ```java writeLock.lock(); try { // 修改数据 readLock.lock(); // 获取读锁（降级开始） } finally { writeLock.unlock(); // 释放写锁（仍持有读锁） } // 此时其他写锁仍被阻塞 readLock.unlock(); ``` 2. **公平性选择** - **公平模式**：按请求顺序分配锁 - **非公平模式**：允许读锁插队（默认，吞吐量更高） 3. **重入支持** - 读线程可重复获取读锁（需对应次数的`unlock()`） - 写线程可重入写锁，也可获取读锁（锁降级基础） #### 四、使用场景 | 场景 | 适用性 | 原因说明 | |---------------------------|--------|------------------------------| | 读多写少（如配置中心） | ★★★★★ | 读并行最大化[^5] | | 数据缓存更新 | ★★★★☆ | 写时阻塞读，保证数据一致性 | | 实时统计系统 | ★★★★☆ | 读锁允许并发统计 | | 写操作频繁（>30%） | ★☆☆☆☆ | 读写锁开销反超`synchronized`| | 需要严格写顺序的场景 | ★★☆☆☆ | 公平模式有性能损耗 | #### 五、最佳实践示例 ```java // 线程安全的ArrayList实现[^5] public class SafeArrayList<E> { private final List<E> list = new ArrayList<>(); private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); public void add(E element) { lock.writeLock().lock(); // 写锁 try { list.add(element); } finally { lock.writeLock().unlock(); } } public E get(int index) { lock.readLock().lock(); // 读锁 try { return list.get(index); } finally { lock.readLock().unlock(); } } } ``` #### 六、性能优化建议 1. **控制临界区时长** 写操作应控制在$<1ms$，避免长时间阻塞读线程 ```java writeLock.lock(); try { // 只包含必要写操作 doCriticalWrite(); } finally { writeLock.unlock(); } ``` 2. **避免锁升级** Java不支持读锁升级为写锁，强行尝试会导致死锁： ```java readLock.lock(); try { // 此处尝试获取写锁将永久阻塞！ writeLock.lock(); // ❌ 错误用法 } finally { readLock.unlock(); } ``` 3. **监控竞争情况** 通过`getQueueLength()`检测等待线程数： ```java if (lock.getWriteLock().getQueueLength() > 10) { // 触发写操作优化 } ``` > **选型原则**：当读操作占比 ≥ 70% 时，读写锁性能优势显著[^2]。在$N$读线程$M$写线程场景下，吞吐量提升比约为： > $$ > \text{加速比} = \frac{T_{\text{sync}}}{T_{\text{rwlock}}} \approx \frac{N \times T_{\text{read}} + M \times T_{\text{write}}}{T_{\text{write}} + \frac{N \times T_{\text{read}}}{\text{并发因子}}} > $$ ---
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