面試官：說說讀寫鎖實現原理？
在實際項目開發中，并發編程一定會用（提升程序的執行效率），而用到并發編程那么鎖機制就一定會用，因為鎖是保證并發編程的主要手段。
在 Java 中常用的鎖有以下幾個：
- synchronized（內置鎖）：Java 語言內置的關鍵字，JVM 層級鎖實現，使用起來較為簡單直觀。
- ReentrantLock（可重入鎖）：需要顯式地獲取和釋放鎖，提供了更靈活的鎖操作方式。
- ReentrantReadWriteLock（讀寫鎖）：性能較好，分為讀鎖和寫鎖，允許多個讀線程同時獲取讀鎖，而寫鎖具有排他性。
- StampedLock（郵戳鎖）：JDK 8 提供的鎖，提供了一種樂觀讀的方式，先嘗試讀取，如果在讀取過程中沒有發生寫操作，則可以直接完成讀取，避免了獲取讀鎖的開銷。
而我們今天重點要討論的是讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 和它的實現原理。
1.讀寫鎖介紹
ReentrantReadWriteLock（讀寫鎖）是 Java 并發包（java.util.concurrent.locks）中的一個類，它實現了一個可重入的讀寫鎖。讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享資源，但在寫入共享資源時只允許一個線程進行。
它把鎖分為兩部分：讀鎖和寫鎖，其中讀鎖允許多個線程同時獲得，因為讀操作本身是線程安全的，而寫鎖則是互斥鎖，不允許多個線程同時獲得寫鎖，并且寫操作和讀操作也是互斥的。
也就是說讀寫鎖的特征是：
- 讀-讀操作不加鎖。
- 讀-寫操作加鎖。
- 寫-寫操作加鎖。
2.基本使用
ReentrantReadWriteLock 鎖分為以下兩種：
- ReentrantReadWriteLock.ReadLock 表示讀鎖：它提供了 lock 方法進行加鎖、unlock 方法進行解鎖。
- ReentrantReadWriteLock.WriteLock 表示寫鎖：它提供了 lock 方法進行加鎖、unlock 方法進行解鎖。
它的基礎使用如下代碼所示：
// 創建讀寫鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 獲得讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 獲得寫鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 讀鎖使用
readLock.lock();
try {
// 業務代碼...
} finally {
readLock.unlock();
}
// 寫鎖使用
writeLock.lock();
try {
// 業務代碼...
} finally {
writeLock.unlock();
}（1）讀讀不互斥
多個線程可以同時獲取到讀鎖，稱之為讀讀不互斥，如下代碼所示：
// 創建讀寫鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創建讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執行結果如下：
（2）讀寫互斥
讀鎖和寫鎖同時使用是互斥的（也就是不能同時獲得），這稱之為讀寫互斥，如下代碼所示：
// 創建讀寫鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創建讀鎖
final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
// 創建寫鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
// 使用讀鎖
Thread t1 = new Thread(() -> {
readLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到讀鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放讀鎖.");
readLock.unlock();
}
});
t1.start();
// 使用寫鎖
Thread t2 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到寫鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放寫鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執行結果如下：
（3）寫寫互斥
多個線程同時使用寫鎖也是互斥的，這稱之為寫寫互斥，如下代碼所示：
// 創建讀寫鎖
final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
// 創建寫鎖
final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t1]得到寫鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t1]釋放寫鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
writeLock.lock();
try {
System.out.println("[t2]得到寫鎖.");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("[t2]釋放寫鎖.");
writeLock.unlock();
}
});
t2.start();以上程序執行結果如下：
（4）優點分析
- 提高了程序執行性能：多個讀鎖可以同時執行，相比于普通鎖在任何情況下都要排隊執行來說，讀寫鎖提高了程序的執行性能。
- 避免讀到臨時數據：讀鎖和寫鎖是互斥排隊執行的，這樣可以保證了讀取操作不會讀到寫了一半的臨時數據。
（5）適用場景
讀寫鎖適合多讀少寫的業務場景，此時讀寫鎖的優勢最大。
3.底層實現
ReentrantReadWriteLock 是基于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）實現的，AQS 以單個 int 類型的原子變量來表示其狀態，并通過 CAS 操作來保證線程安全。
這點也通過 ReentrantReadWriteLock 源碼發現，ReentrantReadWriteLock 中的公平鎖繼承了 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）：
而 ReentrantReadWriteLock 中的非公平鎖繼承了公平鎖（公平鎖繼承了 AbstractQueuedSynchronizer）：
所以可以看出 ReentrantReadWriteLock 其底層主要是通過 AQS 實現的。
4.AQS
AbstractQueuedSynchronizer（AQS）是 Java 并發包中的一個抽象類，位于 java.util.concurrent.locks 包中。它為實現依賴于“獨占”和“共享”模式的阻塞鎖和相關同步器提供了一個框架。
AQS 是許多高級同步工具的基礎，例如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、CountDownLatch 和 Semaphore。
（1）AQS 核心概念
AQS 中有兩個最主要的內容：
- 同步狀態（State）：用于表示同步器的狀態，例如鎖的持有數量、資源的可用數量等。可以通過 getState()、setState() 和 compareAndSetState() 方法來操作。
- 等待隊列（CLH 隊列）：由雙向鏈表實現的等待線程隊列。當線程獲取同步狀態失敗時，會被封裝成節點加入到等待隊列中。
（2）AQS 工作流程
AQS 工作流程主要分為以下兩部分。
加鎖與釋放鎖：
- 線程嘗試獲取同步狀態，如果獲取成功，則直接執行后續操作。
- 如果獲取失敗，則將當前線程封裝成節點加入等待隊列，并阻塞當前線程。
- 當持有鎖的線程釋放鎖時，會喚醒等待隊列中的后繼節點線程，使其重新嘗試獲取鎖。
等待與喚醒：
- 等待隊列中的節點通過自旋和阻塞來等待被喚醒。
- 喚醒操作會按照一定的規則選擇等待隊列中的節點進行喚醒。
