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。在并发编程中，有时我们需要处理多个线程同时读取共享资源的情况，同时还要保证在有写操作时，对资源的访问是互斥的。这就是读写锁（ReadWriteLock）的应用场景。

什么是读写锁？

读写锁是一种锁机制，它允许多个线程可同时读取共享资源，但在写操作时需要互斥。读写锁将读操作与写操作分开，以提高并发性和性能。

ReadWriteLock的特点

  • 多个线程可同时读取：在没有写操作的情况下，多个线程可以并发地读取共享资源，从而提升读取操作的性能。
  • 写操作是互斥的：写操作会独占锁，确保在写操作进行时没有其他线程可以读取或写入共享资源。
  • 读写操作之间互斥：在写操作进行时，其他线程不能读取或写入，以保证数据的一致性。

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。

如何使用ReadWriteLock

Java提供了java.util.concurrent.locks包中的ReentrantReadWriteLock类来实现读写锁。下面是一个简单的例子：

javaimportjava.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;publicclassReadWriteLockExample{privatefinalReentrantReadWriteLocklock=newReentrantReadWriteLock();privateintsharedData=0;publicintreadData(){lock.readLock().lock();try{returnsharedData;}finally{lock.readLock().unlock();}}publicvoidwriteData(intnewData){lock.writeLock().lock();try{sharedData=newData;}finally{lock.writeLock().unlock();}}}

在上面的例子中，我们创建了一个ReentrantReadWriteLock实例作为读写锁。使用readLock()方法获取读锁，writeLock()方法获取写锁。

在读取共享资源时，我们需要先获取读锁，然后执行读操作，最后释放读锁。在写入共享资源时，我们需要先获取写锁，然后执行写操作，最后释放写锁。

要注意的是，在使用读写锁时，应该根据实际需求合理地使用读锁和写锁，以便提升并发性和性能。

读写锁的优势与适用场景

  • 读多写少：当有大量读取操作，而写操作较少的情况下，读写锁可以提高系统的并发性和性能。
  • 数据一致性要求较低：如果对共享资源的一致性要求不高，即使在读写操作之间出现一定的延迟或不一致，也不会对系统产生严重影响。
  • 提升并发性和性能：读写锁通过允许多个线程同时读取共享资源，以及在写操作时互斥地访问资源，可以提高系统的并发性和性能。

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。

classCache{finalMapm=newHashMap();finalReadWriteLockrwl=newReentrantReadWriteLock();//读锁finalLockr=rwl.readLock();//写锁finalLockw=rwl.writeLock();//读缓存Vget(Kkey){r.lock();try{returnm.get(key);}finally{r.unlock();}}//写缓存Vput(Kkey,Vvalue){w.lock();try{returnm.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。

缓存一次性加载示意图

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。

缓存按需加载示意图

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？

classCache{finalMapm=newHashMap();finalReadWriteLockrwl=newReentrantReadWriteLock();finalLockr=rwl.readLock();finalLockw=rwl.writeLock();Vget(Kkey){Vv=null;//读缓存r.lock();①try{v=m.get(key);②}finally{r.unlock();③}//缓存中存在，返回if(v!=null){④returnv;}//缓存中不存在，查询数据库w.lock();⑤try{//再次验证//其他线程可能已经查询过数据库v=m.get(key);⑥if(v==null){⑦//查询数据库v=省略代码无数m.put(key,v);}}finally{w.unlock();}returnv;}}

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();①try{v=m.get(key);②if(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。

classCachedData{Objectdata;volatilebooleancacheValid;finalReadWriteLockrwl=newReentrantReadWriteLock();//读锁finalLockr=rwl.readLock();//写锁finalLockw=rwl.writeLock();voidprocessCachedData(){//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

读写锁与ReentrantLock类似，还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，因此除了支持lock()方法外，还支持tryLock()、lockInterruptibly()等方法。但是需要注意的是，只有写锁支持条件变量，而读锁不支持条件变量，因此读锁调用newCondition()会抛出UnsupportedOperationException异常。

今天我们使用了ReadWriteLock实现了一个简单的缓存。尽管该缓存解决了初始化问题，但未解决缓存数据与源数据的同步问题，即确保缓存数据与源数据的一致性。解决数据同步问题最简单的方法之一是使用超时机制。超时机制意味着缓存中加载的数据并不长期有效，而是有一定时效性。当缓存数据超过时效时间后，数据在缓存中失效。对于访问失效的缓存数据，会触发重新从源数据加载到缓存中。

当然，也可以在源数据发生变化时快速通知缓存，但这取决于具体的场景。例如，在MySQL作为数据源时，可以通过实时解析binlog来检测数据是否发生变化，一旦变化就将最新数据推送给缓存。另外，还有一些方案采用了数据库和缓存双写的策略。

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