读写锁: ReentrantReadWriteLock

在多线程编程场景中，对共享资源的访问控制极为关键。传统的锁机制在同一时刻只允许一个线程访问共享资源，这在读写操作频繁的场景下，会因为读操作相互不影响数据一致性，而造成不必要的性能损耗。ReentrantReadWriteLock（可重入读写锁）的出现有效解决了这一问题，它允许在同一时间内多个线程进行读操作，同时保证写操作的原子性与线程安全性。本文将深入探讨ReentrantReadWriteLock的原理、使用方式及其应用场景。

ReentrantReadWriteLock 原理剖析

ReentrantReadWriteLock是 Java 并发包java.util.concurrent.locks中的成员，它将对共享资源的访问分为读锁和写锁。读锁允许多个线程同时获取，因为读操作不会修改共享资源，所以多个线程同时读不会产生数据不一致问题。而写锁是独占的，同一时间仅能有一个线程获取写锁，以此保证写操作的原子性和线程安全。

可重入特性

ReentrantReadWriteLock具备可重入特性，即同一个线程能够多次获取读锁或写锁。当线程获取锁后，锁的持有计数会增加，每释放一次锁，持有计数就减少，当持有计数为 0 时，锁才真正被释放。该特性避免了线程在递归调用时出现死锁情况。

公平性与非公平性

ReentrantReadWriteLock支持公平和非公平两种模式。在公平模式下，线程获取锁的顺序依照请求的先后顺序进行；在非公平模式下，线程获取锁的顺序不确定，新请求的线程有可能比等待队列中的线程更早获取到锁。非公平模式在高并发场景下通常性能更佳，因为它减少了线程切换的开销。

代码示例

以下通过一个简单示例代码展示ReentrantReadWriteLock的基本用法。假设存在一个共享缓存，多个线程可能读取缓存中的数据，也可能更新缓存。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteLockExample {
    private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();
    private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();
    private static String cacheData;

    public static void main(String[] args) {
        // 模拟读线程
        Thread readThread1 = new Thread(() -> {
            readLock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始读取数据");
                if (cacheData == null) {
                    System.out.println("缓存中没有数据");
                } else {
                    System.out.println("读取到的数据: " + cacheData);
                }
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 读取数据结束");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                readLock.unlock();
            }
        });

        // 模拟写线程
        Thread writeThread1 = new Thread(() -> {
            writeLock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始写入数据");
                cacheData = "新的数据";
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 写入数据结束");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        });

        readThread1.start();
        writeThread1.start();

        try {
            readThread1.join();
            writeThread1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上述代码中：

首先创建了ReentrantReadWriteLock对象，以及它的读锁和写锁。
readThread1线程模拟读操作，获取读锁后，尝试读取缓存数据。由于读锁允许多个线程同时获取，所以多个读线程可以同时执行读操作。
writeThread1线程模拟写操作，获取写锁后，更新缓存数据。在写锁被持有期间，其他线程无论是读还是写操作，都将被阻塞，直到写锁被释放。

使用场景

缓存系统：在缓存系统中，读操作的频率通常远高于写操作。使用ReentrantReadWriteLock可以允许多个线程同时读取缓存，只有在更新缓存时才需要获取写锁，从而大大提高系统的并发性能。
数据库连接池：数据库连接池需要管理多个数据库连接，多个线程可能会同时获取和释放连接信息。通过ReentrantReadWriteLock，读操作（如获取连接状态）可以并发执行，而写操作（如添加或移除连接）则保证线程安全。
文件系统：在文件系统中，多个线程可能会同时读取文件内容，而写操作（如文件修改）则需要保证原子性。ReentrantReadWriteLock可以有效管理对文件的读写访问，确保数据的一致性。