面試官：說(shuō)說(shuō)讀寫(xiě)鎖實(shí)現(xiàn)原理？
在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，并發(fā)編程一定會(huì)用（提升程序的執(zhí)行效率），而用到并發(fā)編程那么鎖機(jī)制就一定會(huì)用，因?yàn)殒i是保證并發(fā)編程的主要手段。
在 Java 中常用的鎖有以下幾個(gè)：
- synchronized（內(nèi)置鎖）：Java 語(yǔ)言內(nèi)置的關(guān)鍵字，JVM 層級(jí)鎖實(shí)現(xiàn)，使用起來(lái)較為簡(jiǎn)單直觀。
- ReentrantLock（可重入鎖）：需要顯式地獲取和釋放鎖，提供了更靈活的鎖操作方式。
- ReentrantReadWriteLock（讀寫(xiě)鎖）：性能較好，分為讀鎖和寫(xiě)鎖，允許多個(gè)讀線程同時(shí)獲取讀鎖，而寫(xiě)鎖具有排他性。
- StampedLock（郵戳鎖）：JDK 8 提供的鎖，提供了一種樂(lè)觀讀的方式，先嘗試讀取，如果在讀取過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生寫(xiě)操作，則可以直接完成讀取，避免了獲取讀鎖的開(kāi)銷(xiāo)。
而我們今天重點(diǎn)要討論的是讀寫(xiě)鎖 ReentrantReadWriteLock 和它的實(shí)現(xiàn)原理。
1.讀寫(xiě)鎖介紹
ReentrantReadWriteLock（讀寫(xiě)鎖）是 Java 并發(fā)包（java.util.concurrent.locks）中的一個(gè)類，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可重入的讀寫(xiě)鎖。讀寫(xiě)鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但在寫(xiě)入共享資源時(shí)只允許一個(gè)線程進(jìn)行。
它把鎖分為兩部分：讀鎖和寫(xiě)鎖，其中讀鎖允許多個(gè)線程同時(shí)獲得，因?yàn)樽x操作本身是線程安全的，而寫(xiě)鎖則是互斥鎖，不允許多個(gè)線程同時(shí)獲得寫(xiě)鎖，并且寫(xiě)操作和讀操作也是互斥的。
也就是說(shuō)讀寫(xiě)鎖的特征是：
- 讀-讀操作不加鎖。
- 讀-寫(xiě)操作加鎖。
- 寫(xiě)-寫(xiě)操作加鎖。
2.基本使用
ReentrantReadWriteLock 鎖分為以下兩種：
- ReentrantReadWriteLock.ReadLock 表示讀鎖：它提供了 lock 方法進(jìn)行加鎖、unlock 方法進(jìn)行解鎖。
- ReentrantReadWriteLock.WriteLock 表示寫(xiě)鎖：它提供了 lock 方法進(jìn)行加鎖、unlock 方法進(jìn)行解鎖。
它的基礎(chǔ)使用如下代碼所示：
// 創(chuàng)建讀寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 獲得讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 獲得寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 讀鎖使用
readLock.lock();
try {
// 業(yè)務(wù)代碼...
} finally {
readLock.unlock();
}
// 寫(xiě)鎖使用
writeLock.lock();
try {
// 業(yè)務(wù)代碼...
} finally {
writeLock.unlock();
}（1）讀讀不互斥
多個(gè)線程可以同時(shí)獲取到讀鎖，稱之為讀讀不互斥，如下代碼所示：
// 創(chuàng)建讀寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創(chuàng)建讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執(zhí)行結(jié)果如下：
（2）讀寫(xiě)互斥
讀鎖和寫(xiě)鎖同時(shí)使用是互斥的（也就是不能同時(shí)獲得），這稱之為讀寫(xiě)互斥，如下代碼所示：
// 創(chuàng)建讀寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創(chuàng)建讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 創(chuàng)建寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 使用讀鎖
Thread t1 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t1.start();
// 使用寫(xiě)鎖
Thread t2 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到寫(xiě)鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放寫(xiě)鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執(zhí)行結(jié)果如下：
（3）寫(xiě)寫(xiě)互斥
多個(gè)線程同時(shí)使用寫(xiě)鎖也是互斥的，這稱之為寫(xiě)寫(xiě)互斥，如下代碼所示：
// 創(chuàng)建讀寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創(chuàng)建寫(xiě)鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到寫(xiě)鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放寫(xiě)鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到寫(xiě)鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放寫(xiě)鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執(zhí)行結(jié)果如下：
（4）優(yōu)點(diǎn)分析
- 提高了程序執(zhí)行性能：多個(gè)讀鎖可以同時(shí)執(zhí)行，相比于普通鎖在任何情況下都要排隊(duì)執(zhí)行來(lái)說(shuō)，讀寫(xiě)鎖提高了程序的執(zhí)行性能。
- 避免讀到臨時(shí)數(shù)據(jù)：讀鎖和寫(xiě)鎖是互斥排隊(duì)執(zhí)行的，這樣可以保證了讀取操作不會(huì)讀到寫(xiě)了一半的臨時(shí)數(shù)據(jù)。
（5）適用場(chǎng)景
讀寫(xiě)鎖適合多讀少寫(xiě)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，此時(shí)讀寫(xiě)鎖的優(yōu)勢(shì)最大。
3.底層實(shí)現(xiàn)
ReentrantReadWriteLock 是基于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）實(shí)現(xiàn)的，AQS 以單個(gè) int 類型的原子變量來(lái)表示其狀態(tài)，并通過(guò) CAS 操作來(lái)保證線程安全。
這點(diǎn)也通過(guò) ReentrantReadWriteLock 源碼發(fā)現(xiàn)，ReentrantReadWriteLock 中的公平鎖繼承了 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）：
而 ReentrantReadWriteLock 中的非公平鎖繼承了公平鎖（公平鎖繼承了 AbstractQueuedSynchronizer）：
所以可以看出 ReentrantReadWriteLock 其底層主要是通過(guò) AQS 實(shí)現(xiàn)的。
4.AQS
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是 Java 并發(fā)包中的一個(gè)抽象類，位于 java.util.concurrent.locks 包中。它為實(shí)現(xiàn)依賴于“獨(dú)占”和“共享”模式的阻塞鎖和相關(guān)同步器提供了一個(gè)框架。
AQS 是許多高級(jí)同步工具的基礎(chǔ)，例如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch 和 Semaphore。
（1）AQS 核心概念
AQS 中有兩個(gè)最主要的內(nèi)容：
- 同步狀態(tài)（State）：用于表示同步器的狀態(tài)，例如鎖的持有數(shù)量、資源的可用數(shù)量等。可以通過(guò) getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法來(lái)操作。
- 等待隊(duì)列（CLH 隊(duì)列）：由雙向鏈表實(shí)現(xiàn)的等待線程隊(duì)列。當(dāng)線程獲取同步狀態(tài)失敗時(shí)，會(huì)被封裝成節(jié)點(diǎn)加入到等待隊(duì)列中。
（2）AQS 工作流程
AQS 工作流程主要分為以下兩部分。
加鎖與釋放鎖：
- 線程嘗試獲取同步狀態(tài)，如果獲取成功，則直接執(zhí)行后續(xù)操作。
- 如果獲取失敗，則將當(dāng)前線程封裝成節(jié)點(diǎn)加入等待隊(duì)列，并阻塞當(dāng)前線程。
- 當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖時(shí)，會(huì)喚醒等待隊(duì)列中的后繼節(jié)點(diǎn)線程，使其重新嘗試獲取鎖。
等待與喚醒：
- 等待隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)自旋和阻塞來(lái)等待被喚醒。
- 喚醒操作會(huì)按照一定的規(guī)則選擇等待隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒。
