「JUC篇」之 ReentrantReadWriteLock、StampedLock讲解

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1. ReentrantReadWriteLock

1.1 是什么

读写锁定义为 一个资源能够被多个读线程访问,或者被一个写线程访问,但是不能同时存在读写线程。

读读共享,读写互斥

1.2 读写锁的意义

『读写锁ReentrantReadWriteLock』并不是真正意义上的读写分离,它只允许读读共存,而读写和写写依然是互斥的, 大多实际场景是“读/读”线程间并不存在互斥关系,只有"读/写"线程或"写/写"线程间的操作需要互斥的。因此引入ReentrantReadWriteLock。

一个ReentrantReadWriteLock同时只能存在一个写锁但是可以存在多个读锁,但不能同时存在写锁和读锁。也即一个资源可以被多个读操作访问或一个写操作访问,但两者不能同时进行

只有在读多写少情境之下,读写锁才具有较高的性能体现。

1.3 读写锁的特点

public class ReentrantReadWriteLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyResource myResource = new MyResource();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                myResource.write(finalI+"",finalI+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                myResource.read(finalI+"");
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        
        //读全部over才可以继续写
        for (int i = 1; i <=3; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                myResource.write(finalI +"", finalI +"");
            },"newWriteThread==="+String.valueOf(i)).start();
        }

    }
}

class MyResource{  //资源类 模拟一个简单的缓存
    Map<String, String > map = new HashMap<>();
    //ReentrantLock 等价于 synchronized
    Lock lock = new ReentrantLock();
    //ReentrantReadWriteLock   一体两面 读写互斥 读读共享
    ReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();

    public void write(String key , String value){
        rw.writeLock().lock();
        try{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" +"正在写入");
            map.put(key,value);
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }
            System.out.println("完成写入");
        }finally {
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }

    public void read(String key){
        rw.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" +"正在读取");
            String result = map.get(key);
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500); } catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }
            System.out.println("完成读取");
        }finally {
            rw.readLock().unlock();
        }
    }
}

image.png

可知读写锁具有可重入和读写分离的特点

2. 从写锁→读锁,ReentrantReadWriteLock可以降级

2.1 锁降级

《Java 并发编程的艺术》中关于锁降级的说明:

锁的严苛程度变强叫做升级,反之叫做降级

image.png

通俗易懂的来讲就是:

锁降级:将写入锁降级为读锁(类似Linux文件读写权限理解,就像写权限要高于读权限一样),如果一个线程占有了写锁,在不释放写锁的情况下,它还能占有读锁,即写锁降级为读锁。

image.png

Java8 官网说明

image.png

重入还允许通过获取写入锁定,然后读取锁然后释放写锁从写锁到读取锁, 但是,从读锁定升级到写锁是不可能的

锁降级是为了让当前线程感知到数据的变化,目的是保证数据可见性

2.2 读写锁降级演示

public class LockDownGradingDemo
{
    public static void main(String[] args)
    {
        ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();


        writeLock.lock();
        System.out.println("-------正在写入");


        readLock.lock();
        System.out.println("-------正在读取");

        writeLock.unlock();

    }
}

image.png

如果有线程在读,那么写线程是无法获取写锁的,是悲观锁的策略

2.3 不可锁升级

线程获取读锁是不能直接升级为写入锁的。

image.png

在ReentrantReadWriteLock中,当读锁被使用时,如果有线程尝试获取写锁,该写线程会被阻塞。 所以,需要释放所有读锁,才可获取写锁,

image.png

2.4 写锁和读锁是互斥的

写锁和读锁是互斥的(这里的互斥是指线程间的互斥, 当前线程可以获取到写锁又获取到读锁,但是获取到了读锁不能继续获取写锁),这是因为读写锁要保持写操作的可见性。 因为,如果允许读锁在被获取的情况下对写锁的获取,那么正在运行的其他读线程无法感知到当前写线程的操作

锁降级能保证写操作可见性

因此, 分析读写锁ReentrantReadWriteLock,会发现它有个潜在的问题:

读锁全完,写锁有望;写锁独占,读写全堵;

如果有线程正在读,写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁,即ReadWriteLock读的过程中不允许写,只有等待线程都释放了读锁,当前线程才能获取写锁, 也就是写入必须等待,这是一种悲观的读锁,人家还在读着那,你先别去写,省的数据乱。

2.5 Oracle公司ReentrantWriteReadLock源码总结

锁降级 下面的示例代码摘自ReentrantWriteReadLock源码中: ReentrantWriteReadLock支持锁降级,遵循按照获取写锁,获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁,不支持锁升级。 解读在最下面:

image.png

  1. 代码中声明了一个volatile类型的cacheValid变量,保证其可见性。

  2. 首先获取读锁,如果cache不可用,则释放读锁,获取写锁,在更改数据之前,再检查一次cacheValid的值,然后修改数据,将cacheValid置为true,然后在释放写锁前获取读锁;此时,cache中数据可用,处理cache中数据,最后释放读锁。这个过程就是一个完整的锁降级的过程,目的是保证数据可见性。

如果违背锁降级的步骤

如果当前的线程C在修改完cache中的数据后,没有获取读锁而是直接释放了写锁,那么假设此时另一个线程D获取了写锁并修改了数据,那么C线程无法感知到数据已被修改,则数据出现错误。

如果遵循锁降级的步骤

线程C在释放写锁之前获取读锁那么线程D在获取写锁时将被阻塞,直到线程C完成数据处理过程,释放读锁。这样可以保证返回的数据是这次更新的数据,该机制是专门为了缓存设计的。

有没有比读写锁更快的锁

3. 邮戳锁StampedLock

3.1 是什么

StampedLock是JDK1.8中新增的一个读写锁, 也是对JDK1.5中的读写锁ReentrantReadWriteLock的优化。

邮戳锁,又叫票据锁

stamp(戳记,long类型),代表了锁的状态。当stamp返回时,表示线程获取锁失败。 并且,当释放锁或者转换锁的时候,都要传入最初获取的stamp值

3.2 改进了读写锁什么地方呢

读的过程中也允许获取写锁介入(相当牛B,读和写两个操作也让你“共享”(注意引号)),这样会导致我们读的数据就可能不一致! 所以,需要额外的方法来判断读的过程中是否有写入,这是一种乐观的读锁。 显然乐观锁的并发效率更高,但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致,需要能检测出来,再读一遍就行。

3.2 锁饥饿问题

ReentrantReadWriteLock实现了读写分离,但是一旦读操作比较多的时候,想要获取写锁就变得比较困难了, 假如当前1000个线程,999个读,1个写,有可能999个读取线程长时间抢到了锁,那1个写线程就悲剧了 因为当前有可能会一直存在读锁,而无法获得写锁,根本没机会写。

如何缓解锁饥饿问题?

使用“公平”策略可以一定程度上缓解这个问题,但是“公平”策略是以牺牲系统吞吐量为代价的

new ReentrantReadWriteLock(true);

StampedLock类的乐观读锁闪亮登场

ReentrantReadWriteLock

允许多个线程同时读,但是只允许一个线程写,在线程获取到写锁的时候,其他写操作和读操作都会处于阻塞状态, 读锁和写锁也是互斥的,所以在读的时候是不允许写的,读写锁比传统的synchronized速度要快很多, 原因就是在于ReentrantReadWriteLock支持读并发

StampedLock横空出世

ReentrantReadWriteLock的读锁被占用的时候,其他线程尝试获取写锁的时候会被阻塞。 但是,StampedLock采取乐观获取锁后,其他线程尝试获取写锁时不会被阻塞,这其实是对读锁的优化, 所以,在获取乐观读锁后,还需要对结果进行校验

3.3 乐观读模式coding演示

读的过程中也允许获取写锁介入

public class StampedLockDemo {

    static int number = 37;
    static StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    public void write()
    {
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"=====写线程准备修改");
        try
        {
            number = number + 13;
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"=====写线程结束修改");
    }

    //悲观读
    public void read()
    {
        long stamp = stampedLock.readLock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t come in readlock block,4 seconds continue...");
        //暂停几秒钟线程
        for (int i = 0; i <4 ; i++) {
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 正在读取中......");
        }
        try
        {
            int result = number;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+" 获得成员变量值result:" + result);
            System.out.println("写线程没有修改值,因为 stampedLock.readLock()读的时候,不可以写,读写互斥");
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }

    //乐观读
    public void tryOptimisticRead()
    {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int result = number;
        //间隔4秒钟,我们很乐观的认为没有其他线程修改过number值,实际靠判断。
        System.out.println("4秒前stampedLock.validate值(true无修改,false有修改)"+"\t"+stampedLock.validate(stamp));
        for (int i = 1; i <=4 ; i++) {
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 正在读取中......"+i+
                    "秒后stampedLock.validate值(true无修改,false有修改)"+"\t"
                    +stampedLock.validate(stamp));
        }
        if(!stampedLock.validate(stamp)) {
            System.out.println("有人动过--------存在写操作!");
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                System.out.println("从乐观读 升级为 悲观读");
                result = number;
                System.out.println("重新悲观读锁通过获取到的成员变量值result:" + result);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t finally value: "+result);
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        StampedLockDemo resource = new StampedLockDemo();

        new Thread(() -> {
            resource.tryOptimisticRead();
            //resource.tryOptimisticRead();
        },"readThread").start();

        // 2秒钟时乐观读失败,6秒钟乐观读取成功resource.tryOptimisticRead();,修改切换演示
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            resource.write();
        },"writeThread").start();
    }

}

image.png

3.4 StampedLock特点

  1. 所有获取锁的方法,都返回一个邮戳(Stamp),Stamp为零表示获取失败,其余都表示成功;
  2. 所有释放锁的方法,都需要一个邮戳(Stamp),这个Stamp必须是和成功获取锁时得到的Stamp一致
  3. StampedLock是不可重入的,危险(如果一个线程已经持有了写锁,再去获取写锁的话就会造成死锁);

3.5 StampedLock有三种访问模式

  1. Reading(读模式):功能和ReentrantReadWriteLock的读锁类似
  2. Writing(写模式):功能和ReentrantReadWriteLock的写锁类似
  3. Optimistic reading(乐观读模式):无锁机制,类似于数据库中的乐观锁, 支持读写并发,很乐观认为读取时没人修改,假如被修改再实现升级为悲观读模式

3.6 StampedLock缺点

  1. StampedLock 不支持重入,没有Re开头

  2. StampedLock 的悲观读锁和写锁都不支持条件变量(Condition),这个也需要注意。

  3. 使用 StampedLock一定不要调用中断操作,即不要调用interrupt() 方法

如果需要支持中断功能,一定使用可中断的悲观读锁 readLockInterruptibly()和写锁writeLockInterruptibly()