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JUC读写锁

news 2025/8/19 12:34:55

文章目录

  • 一、读写锁概述
    • 1.1 核心目标
    • 1.2 核心思想
    • 1.3 关键规则与保证
    • 1.4 核心组件
  • 二、使用示例
    • 2.1 采用独占锁的姿势读、写数据
    • 2.2 使用读写锁读、写数据
    • 2.3 锁降级 **（Lock Downgrading）**
  • 三、应用场景
    • 3.1 缓存系统【高频读、低频更新】
    • 3.2 配置中心【配置读取多、更新少】
    • 3.3 金融交易系统【账户查询多、转账少】
    • 3.4 实时数据看板【数据读取多、更新少】
  • 四、场景分析图表
    • 4.1 读写锁在缓存系统的工作流程
    • 4.2 锁降级过程图解
    • 4.3 不同场景下锁的选择
  • 五、最佳实践与注意事项
    • 5.1 锁选择原则
    • 5.2 避免常见陷阱
    • 5.3 性能调优技巧
    • 5.4 替代解决方案
  • 六、典型应用场景总结
  • 七、没有了

一、读写锁概述

在这里插入图片描述

Java 中读写锁（ReadWriteLock）的核心概念。读写锁是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）中解决特定并发场景下性能问题的重要工具。

1.1 核心目标

  • 提高【读多写少】场景下的并发性能

想象一个共享资源（比如一个配置字典、一个缓存或一个大型数据集）：

  • 读操作（read）：通常不会修改数据，只是获取数据。多个线程同时读取同一个数据通常是安全的。
  • 写操作（write）：会修改数据。为了保证数据一致性，写操作通常需要独占访问资源。即写操作进行时，不允许其他任何线程（读或写）访问资源。

传统的互斥锁（如 synchronized 或 ReentrantLock）在访问共享资源时，无论读写，都只允许一个线程访问。这在“读多写少”的场景下会造成巨大的性能瓶颈：大量只读线程被强制串行执行，即使它们之间本可以安全地并发读取

1.2 核心思想

读写锁的核心思想：分离读锁和写锁

读写锁巧妙地解决了这个问题，它维护了一对锁

  • 读锁（共享锁，read lock）

    • 共享性：多个线程可以同时持有读锁。
    • 目的：允许多个线程并发地读取共享资源，极大地提升读取的吞吐量。
    • 约束：当一个（或多个）线程持有读锁时，任何线程都无法获取写锁。这是为了保证读取数据的一致性——防止在读取过程中数据被修改。

  • 写锁（独占锁，write lock

    • 排他性：同一时刻只能有一个线程持有写锁。

    • 目的：保证写操作的原子性和数据一致性。写操作需要独占访问资源。

    • 约束：

      • 当一个线程持有写锁时，其他任何线程（无论是想读还是想写）都无法获取读锁或写锁。
      • 在获取写锁之前，必须等待所有已持有的读锁释放。同样，在获取读锁之前，必须等待已持有的写锁释放

1.3 关键规则与保证

读写锁的行为严格遵循以下规则，这些规则是理解其并发语义的基础：

  1. 读读共享（Read-Read Sharing）：多个线程可以同时获取并持有读锁，进行并发读取操作。这是性能提升的关键。

  2. 读写互斥（Read-Write Mutual Exclusion）：

  • 如果一个线程持有读锁，另一个线程尝试获取写锁会被阻塞，直到所有读锁释放。
  • 如果一个线程持有写锁，另一个线程尝试获取读锁会被阻塞，直到写锁释放。

  1. 写写互斥（Write-Write Mutual Exclusion）：同一时刻只能有一个线程持有写锁。尝试获取写锁的线程会被阻塞，直到当前写锁释放。

  2. 可重入性（Reentrancy）：

    • Java 的标准实现 ReentrantReadWriteLock 支持锁的可重入。
    • 一个线程可以重复获取它已经持有的读锁或写锁（需要相应次数的释放）。
    • 持有写锁的线程可以再次获取读锁（锁降级的关键）。
    • 持有读锁的线程不能直接获取写锁（尝试获取写锁会阻塞，可能导致死锁）。如果需要升级，必须先释放所有读锁，再尝试获取写锁，但这个操作不是原子的，中间状态可能被其他写线程抢占。因此，锁升级通常不被推荐，且标准实现不支持。

  3. 公平性（Fairness）：

  • 类似于 ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock 可以构造为公平锁或非公平锁（默认）。
  • 公平锁：线程按照请求锁的顺序（近似 FIFO）获取锁。这有助于避免线程饥饿（如写线程一直被读线程抢占），但可能降低整体吞吐量。
  • 非公平锁：允许“插队”。当锁可用时，一个等待线程（无论等待了多久）可能比更早等待的线程优先获得锁。这能提高吞吐量，但可能导致某些线程（尤其是写线程）长时间饥饿。
  • 对读写锁的影响：在非公平模式下，一个释放写锁的线程，如果此时有等待的读线程和写线程，读线程通常能更快地集体获得读锁（因为允许多个读），导致等待的写线程可能延迟。公平模式则严格按照队列顺序，写线程有机会更快获得锁，但整体并发读性能可能稍低。

1.4 核心组件

Java 标准库通过 java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock 类提供了读写锁的实现。它是 ReadWriteLock 接口的具体实现。

核心组件：

  • ReentrantReadWriteLock.ReadLock: 实现读锁的嵌套类。
  • ReentrantReadWriteLock.WriteLock: 实现写锁的嵌套类。

  • Sync (内部抽象类): 继承自 AbstractQueuedSynchronizer (AQS)，是实现锁同步机制的核心。ReentrantReadWriteLock 内部维护一个 Sync 实例。

    • 状态表示 (state): Sync 使用一个 int 类型的 state 变量（32位）来同时表示读锁和写锁的状态。

      • 低 16 位 (0x0000FFFF): 表示写锁的重入次数。
      • 高 16 位 (0xFFFF0000): 表示持有读锁的线程数（更精确地说，是每个获取读锁的线程持有的读锁计数之和，因为读锁可重入）。

    • 写锁获取： 检查 state 是否为 0（无锁）或低16位不为0且当前线程是写锁持有者（重入）。否则加入等待队列。

    • 读锁获取： 检查是否有写锁持有（state低16位不为0）且持有者不是当前线程（防止读锁升级死锁）。还要检查读锁数量是否溢出。在非公平模式下，如果队列头是写线程等待，新来的读线程可能被阻塞（避免写线程饥饿）；公平模式则严格排队。

    • 锁释放： 相应减少 state 的高位（读）或低位（写）计数

二、使用示例

2.1 采用独占锁的姿势读、写数据

package cn.tcmeta.rwlock;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;public class Counter {private int value; // 修改的值/*** 读取操作* @param lock*/public void read(Lock lock){lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" +  " 正在读取数据....");try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" +  " 数据读取完成了... 读取到的值是: " + value);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}catch(Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}}/*** 写操作* @param lock*/public void write(Lock lock, int newValue){lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" +  " 正在修改值 ... ");try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);value = newValue;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" +  " 修改完成了, 最新值是: " + value);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}catch(Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}}
}

测试用例:

package cn.tcmeta.rwlock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** @author: laoren* @description: 独占锁测试* @version: 1.0.0*/
public class T1 {public static void main(String[] args) {ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();Counter counter = new Counter();// 2个线程,执行写入操作.for (int i = 0; i < 2; i++) {int tmp = i;new Thread(() -> {counter.write(reentrantLock, tmp);}, "write-thread: ").start();}// 18个线程,执行读取操作for (int i = 0; i < 18; i++) {int temp = i;new Thread(() -> {counter.read(reentrantLock);}, "read-thread: ").start();}}
}

在这里插入图片描述

2.2 使用读写锁读、写数据

public class T2 {public static void main(String[] args) {// 创建资源类对象Counter counter = new Counter();// 使用独占锁的姿势读、写操作ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();// 获取读锁ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();// 获取写锁ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();// 2个线程,执行写入操作.for (int i = 0; i < 2; i++) {int tmp = i;new Thread(() -> {counter.write(writeLock, tmp);}, "write-thread: ").start();}// 18个线程,执行读取操作for (int i = 0; i < 18; i++) {int temp = i;new Thread(() -> {counter.read(readLock);}, "read-thread: ").start();}}
}

在这里插入图片描述
经过测试可以发现, 使用读写锁的时候, 因为读是共享的,所以效率较快.写是独享的

2.3 锁降级 （Lock Downgrading）

  • 这是读写锁提供的一个安全且有用的特性。
  • 指一个线程先获取写锁 -> 再获取读锁 -> 然后释放写锁的过程。
  • 目的：在持有写锁修改数据后，不立即释放所有锁，而是先获取读锁（因为持有写锁时获取读锁总是成功的），再释放写锁。这样该线程在后续读取操作时仍然持有读锁（保证了读取自己修改后数据的可见性），同时允许其他读线程并发访问（因为写锁已释放）。
  • 关键点：降级过程（获取读锁 -> 释放写锁）在持有写锁的线程内部完成，是原子性的。其他线程无法在降级过程中插入获取写锁，保证了数据在降级后对其他读线程可见时的一致性。

示例流程【伪代码】:

writeLock.lock(); // 1. 获取写锁 (独占)
try {// ... 修改共享数据 ...readLock.lock(); // 2. 在释放写锁前先获取读锁 (锁降级开始，此时写锁未释放，读锁一定成功)
} finally {writeLock.unlock(); // 3. 释放写锁 (锁降级完成，现在只持有读锁)
}
try {// ... 读取刚刚修改的数据 (其他读线程此时也可以并发读取了) ...
} finally {readLock.unlock(); // 4. 释放读锁
}

示例代码:

package cn.tcmeta.rwlock;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;/*** 锁降级*/
public class LockDowngradingDemo {private static final ReentrantReadWriteLock LOCK = new ReentrantReadWriteLock();private static int shareCount; // 共享变量public static void main(String[] args) {Thread writeThread = new Thread(() -> {LOCK.writeLock().lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" + " 开始更新共享变量");shareCount++;try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" + " 更新完成的共享变量的值是: " + shareCount);// 在持有写锁的情况下, 获取读锁LOCK.readLock().lock();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {// 释放写锁LOCK.writeLock().unlock();}// 进行读操作try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" + " 值是: " + shareCount);} finally {LOCK.readLock().unlock();}}, "write-thread:");Thread readThread = new Thread(() -> {LOCK.readLock().lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --> \t" + " 当前的值是: " + shareCount);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {LOCK.readLock().unlock();}}, "read-thread:");writeThread.start();try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3000);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}readThread.start();}
}

在这里插入图片描述

写线程无获取写锁,然后更新共享资源的值,并通过获取读锁实现降级.读线程直接获取读锁进行读操作.

三、应用场景

读写锁在Java并发编程中扮演着重要角色，特别适用于读多写少的场景。

3.1 缓存系统【高频读、低频更新】

package cn.tcmeta.rwlock;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.*;public class Cache<K, V> {private final Map<K, V> cacheMap = new HashMap<>();private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();private final Lock readLock = rwLock.readLock();private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();// 获取缓存数据（多个线程可同时读取）public V get(K key) {readLock.lock();try {return cacheMap.get(key);} finally {readLock.unlock();}}// 更新缓存数据（独占写入）public void put(K key, V value) {writeLock.lock();try {cacheMap.put(key, value);} finally {writeLock.unlock();}}// 按需加载（经典读写锁应用）public V getOrLoad(K key, DataLoader<K, V> loader) {V value;// 先尝试读取readLock.lock();try {value = cacheMap.get(key);if (value != null) {return value;}} finally {readLock.unlock();}// 未找到数据，获取写锁加载writeLock.lock();try {// 双重检查（避免重复加载）value = cacheMap.get(key);if (value == null) {value = loader.load(key);cacheMap.put(key, value);}return value;} finally {writeLock.unlock();}}public interface DataLoader<K, V> {V load(K key);}
}

3.2 配置中心【配置读取多、更新少】

package cn.tcmeta.rwlock;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;public class ConfigCenter {private volatile Map<String, String> config = new HashMap<>();private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock(true); // 公平锁// 获取配置值public String getConfig(String key) {rwLock.readLock().lock();try {return config.get(key);} finally {rwLock.readLock().unlock();}}// 热更新配置public void updateConfig(Map<String, String> newConfig) {rwLock.writeLock().lock();try {Map<String, String> updated = new HashMap<>(config);updated.putAll(newConfig);config = updated; // volatile保证可见性} finally {rwLock.writeLock().unlock();}}
}

3.3 金融交易系统【账户查询多、转账少】

public class AccountService {private final Map<Long, Account> accounts = new ConcurrentHashMap<>();private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();// 查询余额（高并发）public BigDecimal getBalance(long accountId) {rwLock.readLock().lock();try {Account acc = accounts.get(accountId);return acc != null ? acc.getBalance() : BigDecimal.ZERO;} finally {rwLock.readLock().unlock();}}// 转账操作（需要独占）public void transfer(long from, long to, BigDecimal amount) {rwLock.writeLock().lock();try {Account source = accounts.get(from);Account target = accounts.get(to);if (source.getBalance().compareTo(amount) < 0) {throw new InsufficientFundsException();}source.withdraw(amount);target.deposit(amount);} finally {rwLock.writeLock().unlock();}}
}

3.4 实时数据看板【数据读取多、更新少】

public class DashboardData {private volatile DataSnapshot currentSnapshot;private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();// 获取当前数据快照public DataSnapshot getCurrentData() {rwLock.readLock().lock();try {return currentSnapshot;} finally {rwLock.readLock().unlock();}}// 更新数据（使用锁降级保证数据一致性）public void updateData(DataProcessor processor) {rwLock.writeLock().lock();try {// 处理数据（独占写权限）DataSnapshot newSnapshot = processor.process(currentSnapshot);// 锁降级开始rwLock.readLock().lock();try {currentSnapshot = newSnapshot;} finally {rwLock.writeLock().unlock(); // 释放写锁，保留读锁}// 此时其他读线程可以访问新数据logChanges(newSnapshot);} finally {rwLock.readLock().unlock();}}
}

四、场景分析图表

4.1 读写锁在缓存系统的工作流程

4.2 锁降级过程图解

在这里插入图片描述

4.3 不同场景下锁的选择

在这里插入图片描述

五、最佳实践与注意事项

5.1 锁选择原则

  • 读写比例 > 10:1：优先考虑读写锁
  • 读写比例 < 3:1：使用互斥锁更高效
  • 超高频读取：考虑StampedLock的乐观读

5.2 避免常见陷阱

// 错误示例：在读锁保护下修改数据
public void unsafeIncrement() {readLock.lock();try {counter++; // 危险操作！} finally {readLock.unlock();}
}// 正确做法：写锁保护写操作
public void safeIncrement() {writeLock.lock();try {counter++;} finally {writeLock.unlock();}
}

5.3 性能调优技巧

// 1. 使用tryLock避免长时间阻塞
if (writeLock.tryLock(100, TimeUnit.MILLISECONDS)) {try {// 关键操作} finally {writeLock.unlock();}
}// 2. 公平锁防止写线程饥饿
new ReentrantReadWriteLock(true); // 创建公平锁// 3. 监控锁竞争情况
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
System.out.println("读队列长度: " + lock.getReadLockCount());
System.out.println("写队列长度: " + lock.getQueueLength());

5.4 替代解决方案

场景推荐方案优点缺点
读多写少ReentrantReadWriteLock成熟稳定，支持锁降级写线程可能饥饿
超高并发读StampedLock乐观读性能极高API复杂，不可重入
读写均衡ReentrantLock简单高效读操作无法并发
数据快照CopyOnWriteArrayList读完全无锁写开销大，内存占用高

六、典型应用场景总结

  1. 数据检索系统：
    • 场景：商品目录、用户资料查询
    • 特点：95%读操作，5%数据更新
    • 实现：读写锁保护核心数据集合
  2. 实时监控系统：
    • 场景：服务器监控、交易大盘
    • 特点：高频读取，周期性数据刷新
    • 实现：锁降级保证数据更新一致性
  3. 多级缓存同步：
    • 场景：本地缓存与中央缓存同步
    • 特点：本地读为主，偶尔批量更新
    • 实现：写锁保护缓存更新过程
  4. 配置管理系统：
    • 场景：微服务配置中心
    • 特点：服务启动时密集读取，偶尔热更新
    • 实现：读写分离保证高可用性

读写锁在Java并发工具箱中是一个强大的工具，合理使用可以显著提升系统吞吐量。但必须注意其适用边界——在真正的"读多写少"场景中才能发挥最大价值。对于临界区短小的操作，或写操作频繁的场景，传统的互斥锁可能是更简单高效的选择。

七、没有了

学习愉快!

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