Java并发编程-锁（七）

AQS 的使用

示例：读写锁

刚刚提到的锁(比如Mutex和ReentrantLock)都是排他锁，这些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 线程和其他写线程都被阻塞。

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。

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。

在没有读写锁支持的(Java 5之前)时候，如果需要完成这样的工作就要使用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都会进入等待状态，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，而写操作之间依靠synchronized关键进行同 步，这样做的目的就是让读操作能读取到正确的数据，不会出现脏读。

改用读写锁实现上面的功 能，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁就可以了。

当写锁被获取到时，后面的读写操作都会被阻塞，（但是当前写操作线程不会被阻塞，因为是可重入的）。

写锁释放之后，所有操作继续执行，这样的编程方式相对于使用 等待通知机制的实现方式来说，变得简单许多了是不是。

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。

Java并发包里提供读写锁的实现就是 ReentrantReadWriteLock，来看看它提供的特性。

因为实现非常类似，所以这里就不再赘述它的实现细节。需要注意的一点是面试经常会问到的锁升级与锁降级，这里也简单梳理一下。

拓展：锁的升级与降级

在 Java 并发编程中，锁的级别与升级/降级机制是多线程优化的核心设计，主要分为 内置锁（synchronized）的升级和 显式锁（如读写锁）的降级，其核心目标是平衡性能与线程安全。

一、内置锁 (synchronized) 的级别与升级

1. 锁的级别

内置锁的级别以 锁状态 划分，包含以下 4 种状态：

锁状态	特点	底层实现
无锁	对象未被任何线程锁定	—
偏向锁	记录首次获取锁的线程ID，后续同一线程进入同步块无需CAS操作	对象头的 Mark Word 记录线程ID
轻量级锁	通过 CAS 自旋竞争锁，避免直接陷入线程阻塞	栈帧锁记录（Lock Record）
重量级锁	依赖操作系统互斥量（Mutex）实现，失败线程进入阻塞队列	操作系统调度

2. 锁升级过程

锁升级是 单向不可逆 的（从低开销到高开销），由 JVM 自动控制：

1. 偏向锁 → 轻量级锁：

   • 触发条件：其他线程尝试竞争偏向锁。

   • 步骤：

     • 撤销偏向锁，暂停持有线程。

     • 检查线程状态：若存活，升级为轻量级锁；否则恢复无锁状态。

2. 轻量级锁 → 重量级锁：

   • 触发条件：CAS 自旋失败超过阈值（默认 10 次）。

   • 步骤：

     • 锁膨胀为重量级锁，对象头指向互斥量。

     • 未获锁的线程进入阻塞状态。

优点：减少无竞争或低竞争时的锁开销，避免频繁内核态切换。

二、显式锁的降级（以 ReentrantReadWriteLock 为例）

1. 什么是锁降级

锁降级 指 在保持高级别锁的同时获取低级别锁，随后释放高级别锁。例如：

• 写锁 → 读锁：线程 A 持有写锁，先获取读锁后释放写锁。

2. 锁降级的核心意义

• 保证数据可见性：写锁释放后，获取读锁可确保其他线程无法在此期间修改数据，仍能访问更新后的值。

• 避免阻塞读操作：写锁降级为读锁后，其他读线程可以并发访问。

3. 经典实现示例

public void processData() {
    readLock.lock();
    if (!update) {
        readLock.unlock();
        writeLock.lock();
        try {
            if (!update) {
                // 更新数据
                update = true;
            }
            readLock.lock();
        } finally {
            writeLock.unlock(); // 写锁降级为读锁
        }
    }
    try {
        // 使用数据
    } finally {
        readLock.unlock();
    }
}

关键步骤：

1. 降级前：释放读锁，独占写锁完成数据修改。

2. 降级时：获取读锁并释放写锁，确保后续数据使用的可见性。

3. 降级后：其他读线程可获取读锁，写线程需等待当前读锁释放。

4. 锁降级与升级的限制

• 不支持锁升级：读锁无法直接升级为写锁，因多线程持有读锁可能导致数据不一致。

三、总结对比

维度	锁升级 (synchronized)	锁降级 (ReadWriteLock)
触发方式	JVM 自动控制	手动编码控制
目的	减少无竞争时的开销，适应线程竞争变化	确保数据一致性，减少写锁独占时间
典型应用场景	synchronized 同步块或方法	读写锁（如数据更新后仍需线程安全读取）
可见性保证	默认由 JMM 内存模型保证	依赖显式锁获取顺序（写锁降级为读锁的代码逻辑）