Java中的读写锁

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class TestRWL {
	public static void main(String[] args) {
		RWL r = new RWL();
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			new Thread() {
				public void run() {
					while (true) {
						r.read();
					}
				}
			}.start();
		}
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			new Thread() {
				public void run() {
					while (true) {
						r.write((int) (Math.random() * 1000));
					}
				}
			}.start();
		}
	}
}

class RWL {
	private int data = 0;// 共享数据,只能有一个线程能写该数据,但可有多个线程同时读该数据。
	private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

	public void read() {
		rwl.readLock().lock();// 上读锁,其他线程只可读不可写
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "读取数据:" + data);
			Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			rwl.readLock().unlock();// 释放读锁,最好放在finnaly里面
		}
	}

	public void write(int data) {
		rwl.writeLock().lock();// 上写锁,其他线程不可读不可写
		this.data = data;
		try {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入数据:" + data);
			Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			rwl.writeLock().unlock();// 释放写锁,最好放在finnaly里面
		}
	}
}

 

<think>我们正在讨论Java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JavaReentrantReadWriteLock) 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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