Javaᶜⁿ 面试突击

在实际项目开发中，并发编程一定会用（提升程序的执行效率），而用到并发编程那么锁机制就一定会用，因为锁是保证并发编程的主要手段。

在 Java 中常用的锁有以下几个：

  1. synchronized（内置锁）：Java 语言内置的关键字，JVM 层级锁实现，使用起来较为简单直观。
  2. ReentrantLock（可重入锁）：需要显式地获取和释放锁，提供了更灵活的锁操作方式。
  3. ReentrantReadWriteLock（读写锁）：性能较好，分为读锁和写锁，允许多个读线程同时获取读锁，而写锁具有排他性。
  4. StampedLock（邮戳锁）：JDK 8 提供的锁，提供了一种乐观读的方式，先尝试读取，如果在读取过程中没有发生写操作，则可以直接完成读取，避免了获取读锁的开销。

而我们今天重点要讨论的是读写锁 ReentrantReadWriteLock 和它的实现原理。

1.读写锁介绍

ReentrantReadWriteLock（读写锁）是 Java 并发包（java.util.concurrent.locks）中的一个类，它实现了一个可重入的读写锁。读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但在写入共享资源时只允许一个线程进行。

它把锁分为两部分：读锁和写锁，其中读锁允许多个线程同时获得，因为读操作本身是线程安全的，而写锁则是互斥锁，不允许多个线程同时获得写锁，并且写操作和读操作也是互斥的。

也就是说读写锁的特征是：

  1. 读-读操作不加锁。
  2. 读-写操作加锁。
  3. 写-写操作加锁。

2.基本使用

ReentrantReadWriteLock 锁分为以下两种：

  1. ReentrantReadWriteLock.ReadLock 表示读锁：它提供了 lock 方法进行加锁、unlock 方法进行解锁。
  2. ReentrantReadWriteLock.WriteLock 表示写锁：它提供了 lock 方法进行加锁、unlock 方法进行解锁。

它的基础使用如下代码所示：

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 获得读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 获得写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 读锁使用
readLock.lock();
try {
    // 业务代码...
} finally {
    readLock.unlock();
}
// 写锁使用
writeLock.lock();
try {
    // 业务代码...
} finally {
    writeLock.unlock();
}

2.1 读读不互斥

多个线程可以同时获取到读锁，称之为读读不互斥，如下代码所示：

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下：

2.2 读写互斥

读锁和写锁同时使用是互斥的（也就是不能同时获得），这称之为读写互斥，如下代码所示：

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建读锁
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 创建写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 使用读锁
Thread t1 = new Thread(() -> {
    readLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到读锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放读锁.");
        readLock.unlock();
    }
});
t1.start();
// 使用写锁
Thread t2 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下：

2.3 写写互斥

多个线程同时使用写锁也是互斥的，这称之为写写互斥，如下代码所示：

// 创建读写锁
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 创建写锁
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t1]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t1]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t1.start();

Thread t2 = new Thread(() -> {
    writeLock.lock();
    try {
        System.out.println("[t2]得到写锁.");
        Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        System.out.println("[t2]释放写锁.");
        writeLock.unlock();
    }
});
t2.start();

以上程序执行结果如下：

2.4 优点分析

  1. 提高了程序执行性能：多个读锁可以同时执行，相比于普通锁在任何情况下都要排队执行来说，读写锁提高了程序的执行性能。
  2. 避免读到临时数据：读锁和写锁是互斥排队执行的，这样可以保证了读取操作不会读到写了一半的临时数据。

2.5 适用场景

读写锁适合多读少写的业务场景，此时读写锁的优势最大。

3.底层实现

ReentrantReadWriteLock 是基于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）实现的，AQS 以单个 int 类型的原子变量来表示其状态，并通过 CAS 操作来保证线程安全。

这点也通过 ReentrantReadWriteLock 源码发现，ReentrantReadWriteLock 中的公平锁继承了 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）：

而 ReentrantReadWriteLock 中的非公平锁继承了公平锁（公平锁继承了 AbstractQueuedSynchronizer）：

所以可以看出 ReentrantReadWriteLock 其底层主要是通过 AQS 实现的。

4.AQS

AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是 Java 并发包中的一个抽象类，位于 java.util.concurrent.locks 包中。它为实现依赖于“独占”和“共享”模式的阻塞锁和相关同步器提供了一个框架。

AQS 是许多高级同步工具的基础，例如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch 和 Semaphore。

4.1 AQS 核心概念

AQS 中有两个最主要的内容：

  1. 同步状态（State）：用于表示同步器的状态，例如锁的持有数量、资源的可用数量等。可以通过 getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法来操作。
  2. 等待队列（CLH 队列）：由双向链表实现的等待线程队列。当线程获取同步状态失败时，会被封装成节点加入到等待队列中。

4.2 AQS 工作流程

AQS 工作流程主要分为以下两部分。

  1. 加锁与释放锁
    • 线程尝试获取同步状态，如果获取成功，则直接执行后续操作。
    • 如果获取失败，则将当前线程封装成节点加入等待队列，并阻塞当前线程。
    • 当持有锁的线程释放锁时，会唤醒等待队列中的后继节点线程，使其重新尝试获取锁。
  2. 等待与唤醒
    • 等待队列中的节点通过自旋和阻塞来等待被唤醒。
    • 唤醒操作会按照一定的规则选择等待队列中的节点进行唤醒。

课后思考

AQS 是如何实现独占锁和共享锁的？AQS 使用了什么设计模式？

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