并发编程 (17)ReadWriteLock：如何快速实现一个完备的缓存？

青旅半醒 2023-06-20 09:22 40阅读 0赞

前面我们介绍了管程和信号量这两个同步原语在 Java 语言中的实现，理论上用这两个同步原语中任何一个都可以解决所有的并发问题。那 Java SDK 并发包里为什么还有很多其他的工具类呢？原因很简单：**分场景优化性能，提升易用性**。

今天我们就介绍一种非常普遍的并发场景：读多写少场景。实际工作中，为了优化性能，我们经常会使用缓存，例如缓存元数据、缓存基础数据等，这就是一种典型的读多写少应用场景。缓存之所以能提升性能，一个重要的条件就是缓存的数据一定是读多写少的，例如元数据和基础数据基本上不会发生变化（写少），但是使用它们的地方却很多（读多）。

针对读多写少这种并发场景，Java SDK 并发包提供了读写锁——ReadWriteLock，非常容易使用，并且性能很好。

**那什么是读写锁呢？**

读写锁，并不是 Java 语言特有的，而是一个广为使用的通用技术，所有的读写锁都遵守以下三条基本原则：

1.  允许多个线程同时读共享变量；
2.  只允许一个线程写共享变量；
3.  如果一个写线程正在执行写操作，此时禁止读线程读共享变量。

读写锁与互斥锁的一个重要区别就是**读写锁允许多个线程同时读共享变量**，而互斥锁是不允许的，这是读写锁在读多写少场景下性能优于互斥锁的关键。但**读写锁的写操作是互斥的**，当一个线程在写共享变量的时候，是不允许其他线程执行写操作和读操作。

## 快速实现一个缓存 ##

下面我们就实践起来，用 ReadWriteLock 快速实现一个通用的缓存工具类。

在下面的代码中，我们声明了一个 Cache<K, V> 类，其中类型参数 K 代表缓存里 key 的类型，V 代表缓存里 value 的类型。缓存的数据保存在 Cache 类内部的 HashMap 里面，HashMap 不是线程安全的，这里我们使用读写锁 ReadWriteLock 来保证其线程安全。ReadWriteLock 是一个接口，它的实现类是 ReentrantReadWriteLock，通过名字你应该就能判断出来，它是支持可重入的。下面我们通过 rwl 创建了一把读锁和一把写锁。

Cache 这个工具类，我们提供了两个方法，一个是读缓存方法 get()，另一个是写缓存方法 put()。读缓存需要用到读锁，读锁的使用和前面我们介绍的 Lock 的使用是相同的，都是 try\{\}finally\{\}这个编程范式。写缓存则需要用到写锁，写锁的使用和读锁是类似的。这样看来，读写锁的使用还是非常简单的。

class Cache<K,V> {
      final Map<K, V> m =
        new HashMap<>();
      final ReadWriteLock rwl =
        new ReentrantReadWriteLock();
      // 读锁
      final Lock r = rwl.readLock();
      // 写锁
      final Lock w = rwl.writeLock();
      // 读缓存
      V get(K key) {
        r.lock();
        try { return m.get(key); }
        finally { r.unlock(); }
      }
      // 写缓存
      V put(String key, Data v) {
        w.lock();
        try { return m.put(key, v); }
        finally { w.unlock(); }
      }
    }

如果你曾经使用过缓存的话，你应该知道**使用缓存首先要解决缓存数据的初始化问题**。缓存数据的初始化，可以采用一次性加载的方式，也可以使用按需加载的方式。

如果源头数据的数据量不大，就可以采用一次性加载的方式，这种方式最简单（可参考下图），只需在应用启动的时候把源头数据查询出来，依次调用类似上面示例代码中的 put() 方法就可以了。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nvd2JpbjIwMTI_size_16_color_FFFFFF_t_70]

如果源头数据量非常大，那么就需要按需加载了，按需加载也叫懒加载，指的是只有当应用查询缓存，并且数据不在缓存里的时候，才触发加载源头相关数据进缓存的操作。下面你可以结合文中示意图看看如何利用 ReadWriteLock 来实现缓存的按需加载。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nvd2JpbjIwMTI_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 实现缓存的按需加载 ##

文中下面的这段代码实现了按需加载的功能，这里我们假设缓存的源头是数据库。需要注意的是，如果缓存中没有缓存目标对象，那么就需要从数据库中加载，然后写入缓存，写缓存需要用到写锁，所以在代码中的⑤处，我们调用了 `w.lock()` 来获取写锁。

另外，还需要注意的是，在获取写锁之后，我们并没有直接去查询数据库，而是在代码⑥⑦处，重新验证了一次缓存中是否存在，再次验证如果还是不存在，我们才去查询数据库并更新本地缓存。为什么我们要再次验证呢？

class Cache<K,V> {
      final Map<K, V> m =
        new HashMap<>();
      final ReadWriteLock rwl = 
        new ReentrantReadWriteLock();
      final Lock r = rwl.readLock();
      final Lock w = rwl.writeLock();
     
      V get(K key) {
        V v = null;
        // 读缓存
        r.lock();         ①
        try {
          v = m.get(key); ②
        } finally{
          r.unlock();     ③
        }
        // 缓存中存在，返回
        if(v != null) {   ④
          return v;
        }  
        // 缓存中不存在，查询数据库
        w.lock();         ⑤
        try {
          // 再次验证
          // 其他线程可能已经查询过数据库
          v = m.get(key); ⑥
          if(v == null){  ⑦
            // 查询数据库
            v= 省略代码无数
            m.put(key, v);
          }
        } finally{
          w.unlock();
        }
        return v; 
      }
    }

原因是在高并发的场景下，有可能会有多线程竞争写锁。假设缓存是空的，没有缓存任何东西，如果此时有三个线程 T1、T2 和 T3 同时调用 get() 方法，并且参数 key 也是相同的。那么它们会同时执行到代码⑤处，但此时只有一个线程能够获得写锁，假设是线程 T1，线程 T1 获取写锁之后查询数据库并更新缓存，最终释放写锁。此时线程 T2 和 T3 会再有一个线程能够获取写锁，假设是 T2，如果不采用再次验证的方式，此时 T2 会再次查询数据库。T2 释放写锁之后，T3 也会再次查询一次数据库。而实际上线程 T1 已经把缓存的值设置好了，T2、T3 完全没有必要再次查询数据库。所以，再次验证的方式，能够避免高并发场景下重复查询数据的问题。

## 读写锁的升级与降级 ##

上面按需加载的示例代码中，在①处获取读锁，在③处释放读锁，那是否可以在②处的下面增加验证缓存并更新缓存的逻辑呢？详细的代码如下。

// 读缓存
    r.lock();         ①
    try {
      v = m.get(key); ②
      if (v == null) {
        w.lock();
        try {
          // 再次验证并更新缓存
          // 省略详细代码
        } finally{
          w.unlock();
        }
      }
    } finally{
      r.unlock();     ③
    }

这样看上去好像是没有问题的，先是获取读锁，然后再升级为写锁，对此还有个专业的名字，叫**锁的升级**。可惜 ReadWriteLock 并不支持这种升级。在上面的代码示例中，读锁还没有释放，此时获取写锁，会导致写锁永久等待，最终导致相关线程都被阻塞，永远也没有机会被唤醒。锁的升级是不允许的，这个你一定要注意。

不过，虽然锁的升级是不允许的，但是锁的降级却是允许的。以下代码来源自 ReentrantReadWriteLock 的官方示例，略做了改动。你会发现在代码①处，获取读锁的时候线程还是持有写锁的，这种锁的降级是支持的。

class CachedData {
      Object data;
      volatile boolean cacheValid;
      final ReadWriteLock rwl =
        new ReentrantReadWriteLock();
      // 读锁  
      final Lock r = rwl.readLock();
      // 写锁
      final Lock w = rwl.writeLock();
      
      void processCachedData() {
        // 获取读锁
        r.lock();
        if (!cacheValid) {
          // 释放读锁，因为不允许读锁的升级
          r.unlock();
          // 获取写锁
          w.lock();
          try {
            // 再次检查状态  
            if (!cacheValid) {
              data = ...
              cacheValid = true;
            }
            // 释放写锁前，降级为读锁
            // 降级是可以的
            r.lock(); ①
          } finally {
            // 释放写锁
            w.unlock(); 
          }
        }
        // 此处仍然持有读锁
        try {use(data);} 
        finally {r.unlock();}
      }
    }

## 总结 ##

读写锁类似于 ReentrantLock，也支持公平模式和非公平模式。读锁和写锁都实现了 java.util.concurrent.locks.Lock 接口，所以除了支持 lock() 方法外，tryLock()、lockInterruptibly() 等方法也都是支持的。但是有一点需要注意，那就是只有写锁支持条件变量，读锁是不支持条件变量的，读锁调用 newCondition() 会抛出 UnsupportedOperationException 异常。

今天我们用 ReadWriteLock 实现了一个简单的缓存，这个缓存虽然解决了缓存的初始化问题，但是没有解决缓存数据与源头数据的同步问题，这里的数据同步指的是保证缓存数据和源头数据的一致性。解决数据同步问题的一个最简单的方案就是**超时机制**。所谓超时机制指的是加载进缓存的数据不是长久有效的，而是有时效的，当缓存的数据超过时效，也就是超时之后，这条数据在缓存中就失效了。而访问缓存中失效的数据，会触发缓存重新从源头把数据加载进缓存。

当然也可以在源头数据发生变化时，快速反馈给缓存，但这个就要依赖具体的场景了。例如 MySQL 作为数据源头，可以通过近实时地解析 binlog 来识别数据是否发生了变化，如果发生了变化就将最新的数据推送给缓存。另外，还有一些方案采取的是数据库和缓存的双写方案。

总之，具体采用哪种方案，还是要看应用的场景。

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