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Java并发10-ReadWriteLock快速实现一个完备的缓存

jiezi

大家知道了 Java 中使用 管程 同步原语, 理论上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.

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。

什么是读写锁

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读操作和写操作的。

快速实现一个缓存

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。

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(); }
  }
}

实现缓存的按需加载

设计封装缓存类时，我们需要在当应用查询缓存，并且数据不在缓存里的时候，触发加载源头相关数据进缓存的操作，这也是我们需要实现的最基本的功能。下面看下利用 ReadWriteLock 来实现缓存的按需加载。

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

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。

小结

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。

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