JAVA ReentrantReadWriteLock 写饥饿问题：复现、分析与修复
大家好，今天我们来深入探讨 ReentrantReadWriteLock 中一个常见却又容易被忽视的问题：写饥饿。ReentrantReadWriteLock 是一种允许并发读但只允许独占写的锁，在读多写少的场景下能显著提升性能。然而，如果不正确地使用它，就可能导致写线程长时间等待，甚至永远无法获得写锁，这就是所谓的写饥饿。
一、ReentrantReadWriteLock 机制回顾
首先，我们简单回顾一下 ReentrantReadWriteLock 的基本工作原理。
- 读锁（Read Lock）： 允许多个线程同时持有。只有在没有写锁被持有的情况下，读锁才能被获取。
- 写锁（Write Lock）： 是一种独占锁，一次只能被一个线程持有。在有读锁或写锁被持有的情况下，写锁不能被获取。
- 重入性（Reentrancy）： 读锁和写锁都支持重入。同一个线程可以多次获取读锁或写锁，而不需要释放之前的锁。这避免了死锁的发生。
- 锁降级（Lock Downgrading）： 持有写锁的线程可以降级为读锁，但反过来不行。这意味着线程可以先获取写锁进行修改，然后降级为读锁，允许其他线程读取修改后的数据。
- 锁升级（Lock Upgrading）： 不允许直接从读锁升级为写锁。如果需要升级，必须先释放读锁，然后再尝试获取写锁。
二、写饥饿问题及其成因
写饥饿是指当有大量的读线程正在获取读锁时，写线程可能会长时间等待，甚至永远无法获得写锁。这是因为读锁的获取是非公平的，当新的读线程到来时，它可以立即获取读锁，而不需要等待写线程释放写锁。
原因总结：
- 读线程持续不断地获取读锁： 如果读线程的到达速率非常高，并且读锁的持有时间较长，那么写线程可能永远无法获得写锁。
- 读锁的非公平性：
ReentrantReadWriteLock默认情况下是非公平的。这意味着，当写线程正在等待写锁时，如果有一个新的读线程到达，它可以立即获取读锁，而不需要等待写线程。这进一步加剧了写饥饿的问题。 - 锁升级的限制： 由于不允许锁升级，线程必须先释放读锁才能尝试获取写锁。这使得写线程更容易被大量的读线程所阻塞。
三、写饥饿问题的复现
为了更好地理解写饥饿问题，我们编写一段代码来模拟这种情况。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class WriteStarvationExample {
private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
private static int data = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 模拟大量的读线程
for (int i = 0; i < 8; i++) {
executor.submit(() -> {
while (true) {
lock.readLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Read: " + data);
Thread.sleep(10); // 模拟读取操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
});
}
// 模拟写线程
executor.submit(() -> {
lock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Attempting to write...");
data++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Data updated to " + data);
Thread.sleep(1000); // 模拟写入操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.writeLock().unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Released write lock");
}
});
// 等待一段时间，然后关闭线程池
Thread.sleep(5000);
executor.shutdownNow();
}
}在这个例子中，我们创建了 8 个读线程和一个写线程。读线程不断地获取读锁并读取数据，而写线程尝试获取写锁来更新数据。你会发现，写线程可能需要等待很长时间才能获得写锁，甚至可能永远无法获得写锁，这就是写饥饿的现象。
运行结果分析：
在运行上述代码时，你会看到大量的读线程不断地打印读取的数据，而写线程可能只执行一次，或者根本没有机会执行。这是因为读线程持续不断地获取读锁，使得写线程一直处于等待状态。
四、写饥饿问题的分析与解决
解决写饥饿问题有几种方法：
-
使用公平锁：
ReentrantReadWriteLock允许创建公平锁。公平锁会按照线程请求锁的顺序来授予锁，从而避免写线程被饿死。修改代码如下：
private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true); // 使用公平锁优点： 简单易用，能够有效地避免写饥饿。
缺点： 公平锁的性能通常比非公平锁差，因为需要维护一个等待队列，并且需要进行额外的上下文切换。 -
限制读线程的数量： 可以使用
Semaphore或其他并发控制机制来限制同时运行的读线程数量。这可以减少读线程对写线程的干扰，从而缓解写饥饿问题。import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.Semaphore; import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; public class WriteStarvationExampleWithSemaphore { private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); private static final Semaphore readSemaphore = new Semaphore(4); // 限制读线程数量 private static int data = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 模拟大量的读线程 for (int i = 0; i < 8; i++) { executor.submit(() -> { while (true) { try { readSemaphore.acquire(); // 获取许可 lock.readLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Read: " + data); Thread.sleep(10); // 模拟读取操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.readLock().unlock(); readSemaphore.release(); // 释放许可 } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); } // 模拟写线程 executor.submit(() -> { lock.writeLock().lock(); try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Attempting to write..."); data++; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Data updated to " + data); Thread.sleep(1000); // 模拟写入操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.writeLock().unlock(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Released write lock"); } }); // 等待一段时间，然后关闭线程池 Thread.sleep(5000); executor.shutdownNow(); } }优点： 可以有效地控制读线程的数量，从而缓解写饥饿问题。
缺点： 需要根据实际情况调整Semaphore的大小，如果设置不当，可能会影响读线程的并发性能。 -
使用StampedLock：
StampedLock是 Java 8 引入的一种新的读写锁，它提供了比ReentrantReadWriteLock更灵活的锁机制。StampedLock支持乐观读，允许读线程在没有写线程的情况下直接读取数据，而不需要获取读锁。当写线程需要修改数据时，可以通过tryConvertToWriteLock方法将乐观读锁转换为写锁。import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.locks.StampedLock; public class WriteStarvationExampleWithStampedLock { private static final StampedLock lock = new StampedLock(); private static int data = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); // 模拟大量的读线程 for (int i = 0; i < 8; i++) { executor.submit(() -> { while (true) { long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试乐观读 int currentData = data; if (!lock.validate(stamp)) { // 检查是否有写线程修改了数据 stamp = lock.readLock(); // 获取读锁 try { currentData = data; } finally { lock.unlockRead(stamp); // 释放读锁 } } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Read: " + currentData); try { Thread.sleep(10); // 模拟读取操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }); } // 模拟写线程 executor.submit(() -> { long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁 try { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Attempting to write..."); data++; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Data updated to " + data); Thread.sleep(1000); // 模拟写入操作 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Write: Released write lock"); } }); // 等待一段时间，然后关闭线程池 Thread.sleep(5000); executor.shutdownNow(); } }优点： 提供了更高的性能，特别是在读多写少的场景下。
StampedLock可以减少锁的竞争，从而提高并发性能。
缺点： 使用起来比ReentrantReadWriteLock更复杂，需要更仔细地处理锁的获取和释放。 -
优化读操作： 尽量减少读操作的持有时间，例如，只在必要的时候才获取读锁，并在完成读取操作后立即释放读锁。避免在读锁的保护下进行耗时的操作。
-
调整读写比例： 如果写操作非常频繁，可以考虑使用其他的并发控制机制，例如
ConcurrentHashMap或CopyOnWriteArrayList。这些数据结构在某些情况下可以提供更好的性能。
五、不同解决方案的对比
为了更好地选择合适的解决方案，我们对上述几种方法进行对比：
| 解决方案 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 使用公平锁 | 简单易用，能够有效地避免写饥饿。 | 公平锁的性能通常比非公平锁差，因为需要维护一个等待队列，并且需要进行额外的上下文切换。 | 写饥饿问题严重，对性能要求不高的场景。 |
| 限制读线程的数量 | 可以有效地控制读线程的数量，从而缓解写饥饿问题。 | 需要根据实际情况调整 Semaphore 的大小，如果设置不当，可能会影响读线程的并发性能。 |
读写比例相对固定，可以预测读线程数量的场景。 |
使用 StampedLock |
提供了更高的性能，特别是在读多写少的场景下。StampedLock 可以减少锁的竞争，从而提高并发性能。 |
使用起来比 ReentrantReadWriteLock 更复杂，需要更仔细地处理锁的获取和释放。 |
读多写少，对性能要求高的场景。 |
| 优化读操作 | 可以减少读线程对写线程的干扰，从而缓解写饥饿问题。 | 需要对代码进行重构，可能需要花费一定的时间和精力。 | 所有场景，优化代码总是好的。 |
| 调整读写比例 | 在某些情况下可以提供更好的性能。 | 可能需要改变数据结构，需要进行大量的代码修改。 | 写操作非常频繁，ReentrantReadWriteLock 不再适合的场景。 |
六、总结与选择
ReentrantReadWriteLock 是一种强大的并发工具，但在使用时需要注意写饥饿问题。解决写饥饿问题的方法有很多种，选择哪种方法取决于具体的应用场景和性能要求。一般来说，如果写饥饿问题比较严重，并且对性能要求不高，可以使用公平锁。如果对性能要求比较高，可以使用 StampedLock 或限制读线程的数量。此外，优化读操作也是一种有效的缓解写饥饿问题的方法。
选择合适的解决方案需要对具体的业务场景进行分析和评估，并进行充分的测试，以确保能够达到预期的效果。理解 ReentrantReadWriteLock 的内部机制，以及各种解决方案的优缺点，是解决写饥饿问题的关键。
希望这次的分享能够帮助大家更好地理解和使用 ReentrantReadWriteLock，避免写饥饿问题的发生，编写出更高效、更可靠的并发程序。