Java中的讀寫鎖

Alan 發(fā)布于2019-08-16 10:25 / 1662人閱讀

摘要：如果這時其中一個等待讀鎖的線程被方法喚醒，但因?yàn)榇藭r仍有請求寫鎖的線程存在，所以被喚醒的線程會再次進(jìn)入阻塞狀態(tài)。想要允許這樣的操作，要求這個線程是唯一一個擁有讀鎖的線程。

假設(shè)你的程序中涉及到對一些共享資源的讀和寫操作，且寫操作沒有讀操作那么頻繁。在沒有寫操作的時候，兩個線程同時讀一個資源沒有任何問題，所以應(yīng)該允許多個線程能在同時讀取共享資源。但是如果有一個線程想去寫這些共享資源，就不應(yīng)該再有其它線程對該資源進(jìn)行讀或?qū)懀?em>譯者注：也就是說：讀-讀能共存，讀-寫不能共存，寫-寫不能共存）。這就需要一個讀/寫鎖來解決這個問題。

Java5在java.util.concurrent包中已經(jīng)包含了讀寫鎖。盡管如此，我們還是應(yīng)該了解其實(shí)現(xiàn)背后的原理。

讀/寫鎖的Java實(shí)現(xiàn)

先讓我們對讀寫訪問資源的條件做個概述：

讀取沒有線程正在做寫操作，且沒有線程在請求寫操作。

寫入沒有線程正在做讀寫操作。

如果某個線程想要讀取資源，只要沒有線程正在對該資源進(jìn)行寫操作且沒有線程請求對該資源的寫操作即可。我們假設(shè)對寫操作的請求比對讀操作的請求更重要，就要提升寫請求的優(yōu)先級。此外，如果讀操作發(fā)生的比較頻繁，我們又沒有提升寫操作的優(yōu)先級，那么就會產(chǎn)生“饑餓”現(xiàn)象。請求寫操作的線程會一直阻塞，直到所有的讀線程都從ReadWriteLock上解鎖了。如果一直保證新線程的讀操作權(quán)限，那么等待寫操作的線程就會一直阻塞下去，結(jié)果就是發(fā)生“饑餓”。因此，只有當(dāng)沒有線程正在鎖住ReadWriteLock進(jìn)行寫操作，且沒有線程請求該鎖準(zhǔn)備執(zhí)行寫操作時，才能保證讀操作繼續(xù)。

當(dāng)其它線程沒有對共享資源進(jìn)行讀操作或者寫操作時，某個線程就有可能獲得該共享資源的寫鎖，進(jìn)而對共享資源進(jìn)行寫操作。有多少線程請求了寫鎖以及以何種順序請求寫鎖并不重要，除非你想保證寫鎖請求的公平性。

按照上面的敘述，簡單的實(shí)現(xiàn)出一個讀/寫鎖，代碼如下

public class ReadWriteLock{
    private int readers = 0;
    private int writers = 0;
    private int writeRequests = 0;

    public synchronized void lockRead() 
        throws InterruptedException{
        while(writers > 0 || writeRequests > 0){
            wait();
        }
        readers++;
    }

    public synchronized void unlockRead(){
        readers--;
        notifyAll();
    }

    public synchronized void lockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writeRequests++;

        while(readers > 0 || writers > 0){
            wait();
        }
        writeRequests--;
        writers++;
    }

    public synchronized void unlockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writers--;
        notifyAll();
    }
}

ReadWriteLock類中，讀鎖和寫鎖各有一個獲取鎖和釋放鎖的方法。

讀鎖的實(shí)現(xiàn)在lockRead()中,只要沒有線程擁有寫鎖（writers==0），且沒有線程在請求寫鎖（writeRequests ==0），所有想獲得讀鎖的線程都能成功獲取。

寫鎖的實(shí)現(xiàn)在lockWrite()中,當(dāng)一個線程想獲得寫鎖的時候，首先會把寫鎖請求數(shù)加1（writeRequests++），然后再去判斷是否能夠真能獲得寫鎖，當(dāng)沒有線程持有讀鎖（readers==0 ）,且沒有線程持有寫鎖（writers==0）時就能獲得寫鎖。有多少線程在請求寫鎖并無關(guān)系。

需要注意的是，在兩個釋放鎖的方法（unlockRead，unlockWrite）中，都調(diào)用了notifyAll方法，而不是notify。要解釋這個原因，我們可以想象下面一種情形：

如果有線程在等待獲取讀鎖，同時又有線程在等待獲取寫鎖。如果這時其中一個等待讀鎖的線程被notify方法喚醒，但因?yàn)榇藭r仍有請求寫鎖的線程存在（writeRequests>0），所以被喚醒的線程會再次進(jìn)入阻塞狀態(tài)。然而，等待寫鎖的線程一個也沒被喚醒，就像什么也沒發(fā)生過一樣（譯者注：信號丟失現(xiàn)象）。如果用的是notifyAll方法，所有的線程都會被喚醒，然后判斷能否獲得其請求的鎖。

用notifyAll還有一個好處。如果有多個讀線程在等待讀鎖且沒有線程在等待寫鎖時，調(diào)用unlockWrite()后，所有等待讀鎖的線程都能立馬成功獲取讀鎖 —— 而不是一次只允許一個。

讀/寫鎖的重入

上面實(shí)現(xiàn)的讀/寫鎖(ReadWriteLock) 是不可重入的，當(dāng)一個已經(jīng)持有寫鎖的線程再次請求寫鎖時，就會被阻塞。原因是已經(jīng)有一個寫線程了——就是它自己。此外，考慮下面的例子：

Thread 1 獲得了讀鎖

Thread 2 請求寫鎖，但因?yàn)門hread 1 持有了讀鎖，所以寫鎖請求被阻塞。

Thread 1 再想請求一次讀鎖，但因?yàn)門hread
2處于請求寫鎖的狀態(tài)，所以想再次獲取讀鎖也會被阻塞。

上面這種情形使用前面的ReadWriteLock就會被鎖定——一種類似于死鎖的情形。不會再有線程能夠成功獲取讀鎖或?qū)戞i了。

為了讓ReadWriteLock可重入，需要對它做一些改進(jìn)。下面會分別處理讀鎖的重入和寫鎖的重入。

讀鎖重入

為了讓ReadWriteLock的讀鎖可重入，我們要先為讀鎖重入建立規(guī)則：

要保證某個線程中的讀鎖可重入，要么滿足獲取讀鎖的條件（沒有寫或?qū)懻埱螅匆呀?jīng)持有讀鎖（不管是否有寫請求）。

要確定一個線程是否已經(jīng)持有讀鎖，可以用一個map來存儲已經(jīng)持有讀鎖的線程以及對應(yīng)線程獲取讀鎖的次數(shù)，當(dāng)需要判斷某個線程能否獲得讀鎖時，就利用map中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。下面是方法lockRead和unlockRead修改后的的代碼：

public class ReadWriteLock{
    private Map readingThreads =
        new HashMap();

    private int writers = 0;
    private int writeRequests = 0;

    public synchronized void lockRead() 
        throws InterruptedException{
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(! canGrantReadAccess(callingThread)){
            wait();                                                                   
        }

        readingThreads.put(callingThread,
            (getAccessCount(callingThread) + 1));
    }

    public synchronized void unlockRead(){
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        int accessCount = getAccessCount(callingThread);
        if(accessCount == 1) { 
            readingThreads.remove(callingThread); 
        } else {
            readingThreads.put(callingThread, (accessCount -1)); 
        }
        notifyAll();
    }

    private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
        if(writers > 0) return false;
        if(isReader(callingThread) return true;
        if(writeRequests > 0) return false;
        return true;
    }

    private int getReadAccessCount(Thread callingThread){
        Integer accessCount = readingThreads.get(callingThread);
        if(accessCount == null) return 0;
        return accessCount.intValue();
    }

    private boolean isReader(Thread callingThread){
        return readingThreads.get(callingThread) != null;
    }
}

代碼中我們可以看到，只有在沒有線程擁有寫鎖的情況下才允許讀鎖的重入。此外，重入的讀鎖比寫鎖優(yōu)先級高。

寫鎖重入

僅當(dāng)一個線程已經(jīng)持有寫鎖，才允許寫鎖重入（再次獲得寫鎖）。下面是方法lockWrite和unlockWrite修改后的的代碼。

public class ReadWriteLock{
    private Map readingThreads =
        new HashMap();

    private int writeAccesses    = 0;
    private int writeRequests    = 0;
    private Thread writingThread = null;

    public synchronized void lockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writeRequests++;
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
            wait();
        }
        writeRequests--;
        writeAccesses++;
        writingThread = callingThread;
    }

    public synchronized void unlockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writeAccesses--;
        if(writeAccesses == 0){
            writingThread = null;
        }
        notifyAll();
    }

    private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
        if(hasReaders()) return false;
        if(writingThread == null)    return true;
        if(!isWriter(callingThread)) return false;
        return true;
    }

    private boolean hasReaders(){
        return readingThreads.size() > 0;
    }

    private boolean isWriter(Thread callingThread){
        return writingThread == callingThread;
    }
}

注意在確定當(dāng)前線程是否能夠獲取寫鎖的時候，是如何處理的。

讀鎖升級到寫鎖

有時，我們希望一個擁有讀鎖的線程，也能獲得寫鎖。想要允許這樣的操作，要求這個線程是唯一一個擁有讀鎖的線程。writeLock()需要做點(diǎn)改動來達(dá)到這個目的：

public class ReadWriteLock{
    private Map readingThreads =
        new HashMap();

    private int writeAccesses    = 0;
    private int writeRequests    = 0;
    private Thread writingThread = null;

    public synchronized void lockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writeRequests++;
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
            wait();
        }
        writeRequests--;
        writeAccesses++;
        writingThread = callingThread;
    }

    public synchronized void unlockWrite() throws InterruptedException{
        writeAccesses--;
        if(writeAccesses == 0){
            writingThread = null;
        }
        notifyAll();
    }

    private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
        if(isOnlyReader(callingThread)) return true;
        if(hasReaders()) return false;
        if(writingThread == null) return true;
        if(!isWriter(callingThread)) return false;
        return true;
    }

    private boolean hasReaders(){
        return readingThreads.size() > 0;
    }

    private boolean isWriter(Thread callingThread){
        return writingThread == callingThread;
    }

    private boolean isOnlyReader(Thread thread){
        return readers == 1 && readingThreads.get(callingThread) != null;
    }
}

現(xiàn)在ReadWriteLock類就可以從讀鎖升級到寫鎖了。

寫鎖降級到讀鎖

有時擁有寫鎖的線程也希望得到讀鎖。如果一個線程擁有了寫鎖，那么自然其它線程是不可能擁有讀鎖或?qū)戞i了。所以對于一個擁有寫鎖的線程，再獲得讀鎖，是不會有什么危險的。我們僅僅需要對上面canGrantReadAccess方法進(jìn)行簡單地修改：

public class ReadWriteLock{
    private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
        if(isWriter(callingThread)) return true;
        if(writingThread != null) return false;
        if(isReader(callingThread) return true;
        if(writeRequests > 0) return false;
        return true;
    }
}

可重入的ReadWriteLock的完整實(shí)現(xiàn)

下面是完整的ReadWriteLock實(shí)現(xiàn)。為了便于代碼的閱讀與理解，簡單對上面的代碼做了重構(gòu)。重構(gòu)后的代碼如下。

public class ReadWriteLock{
    private Map readingThreads =
        new HashMap();

    private int writeAccesses    = 0;
    private int writeRequests    = 0;
    private Thread writingThread = null;

    public synchronized void lockRead() 
        throws InterruptedException{
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(! canGrantReadAccess(callingThread)){
            wait();
        }

        readingThreads.put(callingThread,
            (getReadAccessCount(callingThread) + 1));
    }

    private boolean canGrantReadAccess(Thread callingThread){
        if(isWriter(callingThread)) return true;
        if(hasWriter()) return false;
        if(isReader(callingThread)) return true;
        if(hasWriteRequests()) return false;
        return true;
    }


    public synchronized void unlockRead(){
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        if(!isReader(callingThread)){
            throw new IllegalMonitorStateException(
                "Calling Thread does not" +
                " hold a read lock on this ReadWriteLock");
        }
        int accessCount = getReadAccessCount(callingThread);
        if(accessCount == 1){ 
            readingThreads.remove(callingThread); 
        } else { 
            readingThreads.put(callingThread, (accessCount -1));
        }
        notifyAll();
    }

    public synchronized void lockWrite() 
        throws InterruptedException{
        writeRequests++;
        Thread callingThread = Thread.currentThread();
        while(!canGrantWriteAccess(callingThread)){
            wait();
        }
        writeRequests--;
        writeAccesses++;
        writingThread = callingThread;
    }

    public synchronized void unlockWrite() 
        throws InterruptedException{
        if(!isWriter(Thread.currentThread()){
        throw new IllegalMonitorStateException(
            "Calling Thread does not" +
            " hold the write lock on this ReadWriteLock");
        }
        writeAccesses--;
        if(writeAccesses == 0){
            writingThread = null;
        }
        notifyAll();
    }

    private boolean canGrantWriteAccess(Thread callingThread){
        if(isOnlyReader(callingThread)) return true;
        if(hasReaders()) return false;
        if(writingThread == null) return true;
        if(!isWriter(callingThread)) return false;
        return true;
    }


    private int getReadAccessCount(Thread callingThread){
        Integer accessCount = readingThreads.get(callingThread);
        if(accessCount == null) return 0;
        return accessCount.intValue();
    }


    private boolean hasReaders(){
        return readingThreads.size() > 0;
    }

    private boolean isReader(Thread callingThread){
        return readingThreads.get(callingThread) != null;
    }

    private boolean isOnlyReader(Thread callingThread){
        return readingThreads.size() == 1 &&
            readingThreads.get(callingThread) != null;
    }

    private boolean hasWriter(){
        return writingThread != null;
    }

    private boolean isWriter(Thread callingThread){
        return writingThread == callingThread;
    }

    private boolean hasWriteRequests(){
        return this.writeRequests > 0;
    }
}

在finally中調(diào)用unlock()

在利用ReadWriteLock來保護(hù)臨界區(qū)時，如果臨界區(qū)可能拋出異常，在finally塊中調(diào)用readUnlock()和writeUnlock()就顯得很重要了。這樣做是為了保證ReadWriteLock能被成功解鎖，然后其它線程可以請求到該鎖。這里有個例子：

lock.lockWrite();
try{
    //do critical section code, which may throw exception
} finally {
    lock.unlockWrite();
}

上面這樣的代碼結(jié)構(gòu)能夠保證臨界區(qū)中拋出異常時ReadWriteLock也會被釋放。如果unlockWrite方法不是在finally塊中調(diào)用的，當(dāng)臨界區(qū)拋出了異常時，ReadWriteLock
會一直保持在寫鎖定狀態(tài)，就會導(dǎo)致所有調(diào)用lockRead()或lockWrite()的線程一直阻塞。唯一能夠重新解鎖ReadWriteLock的因素可能就是ReadWriteLock是可重入的，當(dāng)拋出異常時，這個線程后續(xù)還可以成功獲取這把鎖，然后執(zhí)行臨界區(qū)以及再次調(diào)用unlockWrite()，這就會再次釋放ReadWriteLock。但是如果該線程后續(xù)不再獲取這把鎖了呢？所以，在finally中調(diào)用unlockWrite對寫出健壯代碼是很重要的。

原文 Read Write Locks
作者 Jakob Jenkov
譯者微涼
校對丁一
via ifeve