（十七） 共享模型之工具【JUC】【读写锁】

一、ReentrantReadWriteLock（P247）

当读操作远远高于写操作时，这时候使用 【 读写锁】 让 【 读 - 读】 可以并发，提高性能。 类似于数据库中的 select ... from ... lock in share mode

提供一个 数据容器类 内部分别使用读锁保护数据的 read() 方法，写锁保护数据的 write() 方法

@Slf4j(topic = "c.TestReadWriteLock")
public class TestReadWriteLock {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DataContainer dataContainer = new DataContainer();
        new Thread(() -> {
            dataContainer.read();
        }, "t1").start();
 
        new Thread(() -> {
            dataContainer.read();
        }, "t2").start();
    }
}
 
@Slf4j(topic = "c.DataContainer")
class DataContainer {
    private Object data;
    private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock r = rw.readLock();
    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock w = rw.writeLock();
 
    public Object read() {
        log.debug("获取读锁...");
        r.lock();
        try {
            log.debug("读取");
            sleep(1);
            return data;
        } finally {
            log.debug("释放读锁...");
            r.unlock();
        }
    }
 
    public void write() {
        log.debug("获取写锁...");
        w.lock();
        try {
            log.debug("写入");
            sleep(1);
        } finally {
            log.debug("释放写锁...");
            w.unlock();
        }
    }
}

注意事项

（1）读锁不支持条件变量。

（2）重入时升级不支持：即持有读锁的情况下去获取写锁，会导致获取写锁永久等待

（3） 重入时降级支持：即持有写锁的情况下去获取读锁。

二、 * 应用之缓存

1. 缓存更新策略

更新时，是先清缓存还是先更新数据库

2. 读写锁实现一致性缓存

public class TestGenericDao {
    public static void main(String[] args) {
        GenericDao dao = new GenericDaoCached();
        System.out.println("============> 查询");
        String sql = "select * from emp where empno = ?";
        int empno = 7369;
        Emp emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
 
        System.out.println("============> 更新");
        dao.update("update emp set sal = ? where empno = ?", 800, empno);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
    }
}
 
class GenericDaoCached extends GenericDao {
    private GenericDao dao = new GenericDao();
    private Map map = new HashMap<>();
    private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
 
    @Override
    public  List queryList(Class beanClass, String sql, Object... args) {
        return dao.queryList(beanClass, sql, args);
    }
 
    @Override
    public  T queryOne(Class beanClass, String sql, Object... args) {
        // 先从缓存中找，找到直接返回
        SqlPair key = new SqlPair(sql, args);;
        rw.readLock().lock();
        try {
            T value = (T) map.get(key);
            if(value != null) {
                return value;
            }
        } finally {
            rw.readLock().unlock();
        }
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 多个线程
            T value = (T) map.get(key);
            if(value == null) {
                // 缓存中没有，查询数据库
                value = dao.queryOne(beanClass, sql, args);
                map.put(key, value);
            }
            return value;
        } finally {
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }
 
    @Override
    public int update(String sql, Object... args) {
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 先更新库
            int update = dao.update(sql, args);
            // 清空缓存
            map.clear();
            return update;
        } finally {
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }
 
    class SqlPair {
        private String sql;
        private Object[] args;
 
        public SqlPair(String sql, Object[] args) {
            this.sql = sql;
            this.args = args;
        }
 
        @Override
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o) {
                return true;
            }
            if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
                return false;
            }
            SqlPair sqlPair = (SqlPair) o;
            return Objects.equals(sql, sqlPair.sql) &&
                    Arrays.equals(args, sqlPair.args);
        }
 
        @Override
        public int hashCode() {
            int result = Objects.hash(sql);
            result = 31 * result + Arrays.hashCode(args);
            return result;
        }
    }
 
}

注意
以上实现体现的是读写锁的应用，保证缓存和数据库的一致性，但有下面的问题没有考虑

1️⃣适合读多写少，如果写操作比较频繁，以上实现性能低

2️⃣没有考虑缓存容量

3️⃣没有考虑缓存过期

4️⃣只适合单机

5️⃣并发性还是低，目前只会用一把锁

6️⃣更新方法太过简单粗暴，清空了所有 key （考虑按类型分区或重新设计 key ）

三、* 读写锁原理

1. 图解流程

读写锁用的是同一个 Sycn 同步器，因此等待队列、 state 等也是同一个

1.1 t1 w.lock，t2 r.lock

（1）t1 成功上锁，流程与 ReentrantLock 加锁相比没有特殊之处，不同是写锁状态占了 state 的低 16 位，而读锁使用的是 state 的高 16 位

（2）t2 执行 r.lock，这时进入读锁的 sync.acquireShared(1) 流程，首先会进入 tryAcquireShared 流程。如果有写锁占据，那么 tryAcquireShared 返回 -1 表示失败

tryAcquireShared 返回值表示

1️⃣-1 表示失败

2️⃣0 表示成功，但后继节点不会继续唤醒

3️⃣正数表示成功，而且数值是还有几个后继节点需要唤醒，读写锁返回 1

（3）这时会进入 sync.doAcquireShared(1) 流程，首先也是调用 addWaiter 添加节点，不同之处在于节点被设置为 Node.SHARED 模式而非 Node.EXCLUSIVE 模式，注意此时 t2 仍处于活跃状态

（4）t2 会看看自己的节点是不是老二，如果是，还会再次调用 tryAcquireShared(1) 来尝试获取锁

（5）如果没有成功，在 doAcquireShared 内 for (;;) 循环一次，把前驱节点的 waitStatus 改为 -1，再 for (;;) 循环一次尝试 tryAcquireShared(1) 如果还不成功，那么在 parkAndCheckInterrupt() 处 park

1.2 t3 r.lock，t4 w.lock

这种状态下，假设又有 t3 加读锁和 t4 加写锁，这期间 t1 仍然持有锁，就变成了下面的样子

1.3 t1 w.unlock

2. 源码分析

四、StampedLock

该类自 JDK 8 加入，是为了进一步优化读性能，它的特点是在使用读锁、写锁时都必须配合【戳】使用

加解读锁

long stamp = lock.readLock();
lock.unlockRead(stamp);

加解写锁

long stamp = lock.writeLock();
lock.unlockWrite(stamp);

乐观读， StampedLock 支持 tryOptimisticRead() 方法（乐观读），读取完毕后需要做一次 戳校验 如果校验通过，表示这期间确实没有写操作，数据可以安全使用，如果校验没通过，需要重新获取读锁，保证数据安全。

long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 验戳
if(!lock.validate(stamp)){
   // 锁升级
}

提供一个 数据容器类 内部分别使用读锁保护数据的 read() 方法，写锁保护数据的 write() 方法

@Slf4j(topic = "c.TestStampedLock")
public class TestStampedLock {
    public static void main(String[] args) {
        DataContainerStamped dataContainer = new DataContainerStamped(1);
        new Thread(() -> {
            dataContainer.read(1);
        }, "t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            dataContainer.read(0);
        }, "t2").start();
    }
}
 
@Slf4j(topic = "c.DataContainerStamped")
class DataContainerStamped {
    private int data;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();
 
    public DataContainerStamped(int data) {
        this.data = data;
    }
 
    public int read(int readTime) {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        log.debug("optimistic read locking...{}", stamp);
        sleep(readTime);
        if (lock.validate(stamp)) {
            log.debug("read finish...{}, data:{}", stamp, data);
            return data;
        }
        // 锁升级 - 读锁
        log.debug("updating to read lock... {}", stamp);
        try {
            stamp = lock.readLock();
            log.debug("read lock {}", stamp);
            sleep(readTime);
            log.debug("read finish...{}, data:{}", stamp, data);
            return data;
        } finally {
            log.debug("read unlock {}", stamp);
            lock.unlockRead(stamp);
        }
    }
 
    public void write(int newData) {
        long stamp = lock.writeLock();
        log.debug("write lock {}", stamp);
        try {
            sleep(2);
            this.data = newData;
        } finally {
            log.debug("write unlock {}", stamp);
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}

注意

StampedLock 不支持条件变量

StampedLock 不支持可重入