Java并发编程(十)------ReadWriteLock读写锁

1. 读写锁

1.1 与排他锁的区别

之前提到锁（如Mutex和ReentrantLock）基本都是排他锁（在同一时刻只允许一个线程进行访问），而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

1.2 原理

除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务（例如查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。

在没有读写锁支持的（Java 5之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键进行同步），这样做的目的是使读操作能读取到正确的数据，不会出现脏读。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可。当写锁被获取到时，后续（非当前写操作线程）的读写操作都会被阻塞，写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式而言，变得简单明了。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。

2. ReentrantReadWriteLock

Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如下表所示：

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()方法，而ReentrantReadWriteLock除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法，这些方法以及描述如表所示：

3. 具体例子

接下来通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，代码清单如下：

public class Cache {
    static Map map = new HashMap();
    static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    //读锁
    static Lock r = rwl.readLock();
    //写锁
    static Lock w = rwl.writeLock();

    // 获取一个key对应的value,相当与读操作
    public static final Object get(String key) {
        r.lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            r.unlock();
        }
    }
    
    // 设置key对应的value，并返回旧的value,相当于读操作
    public static final Object put(String key, Object value) {
        w.lock();
        try {        
            return map.put(key, value);
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }

    // 清空所有的内容
    public static final void clear() {
           w.lock();
            try {
                map.clear();
            } finally {
                w.unlock();
            }
    }
}

示例中Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作put(String key,Object value)方法和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当获取写锁后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。