读写锁分离设计模式详解

大家好，我是 V 哥。商城系统中，用户在浏览商品详情页时可以查看库存数量，这是读操作，频率较高。当用户下单成功时，系统会更新库存数量，这是写操作，但相对较少。这是一个再常见不过的应用场景了，在这种场景下，读写锁分离设计模式就是最好的武器。

读写锁分离设计模式是一种多线程设计模式，适合在有读多写少的场景中使用。它通过读写操作的分离，提升了系统的并发性和性能。在这个模式中，读操作是共享的，可以同时被多个线程执行，而写操作需要独占锁，避免并发写入带来的数据不一致问题。

读写锁分离设计模式的原理

咱们再来把读写锁分离的原理先明确一下：

1. 读写锁（ReadWriteLock）：

   • 读写锁提供了两种锁：读锁和写锁。
   • 读锁是共享的，可以允许多个线程同时持有，多个线程可以并发读取数据。
   • 写锁是独占的，只有一个线程能获取写锁。写操作会阻塞所有的读写操作，确保数据一致性。

2. 适用场景：

   • 读操作远多于写操作，数据写入不频繁的场景，如缓存、配置读取、数据分析等。
   • 通过读写分离，可以避免读操作阻塞，从而提高系统的吞吐量和并发性。

特别的爱给特别的你，满足才是硬道理

咱们就拿在电商平台的商品库存管理系统来说，库存数据需要满足如下业务需求：

1. 高并发访问：商城有大量用户会同时访问商品详情页，查询库存数量。访问这些商品库存的用户数是巨大的，因此读取库存的操作需要具备高并发能力，保证每个用户能够快速查询到最新的库存信息。

2. 实时更新库存：当用户成功下单，库存需要相应减少。此外，可能会有后台系统进行库存更新操作，比如在补货时增加库存。因此，写操作虽然较少，但必须做到线程安全，确保更新数据的准确性，避免因并发写入导致库存错误。

3. 数据一致性要求：为了确保库存数据的一致性，写操作必须是独占的，也就是说，只有在没有任何读或写操作时，系统才能进行写操作，从而避免多个线程同时写入导致的库存数据错误。同时，也要保证在进行写操作时，读线程不能获取到库存的中间状态，确保用户获取的是准确的库存信息。

4. 读多写少：在实际业务中，库存查询的频率远高于更新库存的频率，绝大部分用户操作仅涉及查询商品是否有库存，而少部分用户操作涉及到更新库存，比如完成下单、取消订单、或者后台管理员进行库存调整。

5. 性能要求：库存查询的响应速度直接影响到用户体验，特别是在大型促销活动中，大量用户同时访问某些热门商品的库存数据，因此必须保证高并发读取的性能。而写操作因为较少，不会频繁发生，能容忍一定的等待时间。

具体操作场景

回到功能业务，通常要实现的具体功能场景是这样的：

• 库存查询：用户在浏览商品详情页时，都会查看商品库存。一个页面可能会展示多个商品的库存，因此多个用户并发查询不同商品的库存时，系统需要支持多个读线程同时读取数据，而不会互相干扰。

• 库存更新：当用户下单购买商品时，系统需要减少相应的库存数量。这个写操作必须是独占的，以避免并发写入导致库存数量的不一致。更新操作还会在订单取消、订单失效等情况下发生。此外，后台的库存补货也是一种写操作，更新后的库存应能被用户实时查询到。

• 促销场景：在大促活动中（如双11、黑五促销），某些商品会有大量用户访问库存。如果不进行读写锁分离，频繁的写锁会阻塞所有的读线程，导致用户体验下降。因此，系统应支持多个用户同时进行读取操作，同时保障写入的独占性，以平衡高并发和数据一致性的需求。

实施目标

有了这样的场景，采用读写锁分离设计模式来优化库存管理，可以达到以下目标：

1. 提升读操作的并发性：允许多个用户并发查询库存，保证在读多写少的场景下库存查询的高效性。
2. 保证写操作的独占性：避免并发写入的冲突，确保库存数据的一致性，满足商品库存管理系统的数据准确性需求。
3. 降低读写冲突的等待时间：在写操作较少的情况下，通过读写锁分离有效降低读操作的等待时间，提升系统整体性能。

案例：商品库存管理

下面咱们来具体看一下案例实现，我们要实现一个商品库存管理，需求是这样滴：

• 多个线程可以同时读取某商品的库存数量。
• 只有一个线程可以更新库存，避免多个写操作造成数据不一致。

一、实现步骤

1. 定义商品库存管理类 InventoryManager，使用 ReentrantReadWriteLock 进行读写锁分离。
2. 创建 checkStock 方法进行库存读取操作，获取读锁。
3. 创建 updateStock 方法进行库存更新操作，获取写锁。

以下是实现代码：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class InventoryManager {
    // 商品库存存储
    private final Map<String, Integer> inventory = new HashMap<>();
    // 读写锁
    private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = rwLock.readLock();
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = rwLock.writeLock();

    // 获取库存数量（读操作）
    public int checkStock(String productId) {
        readLock.lock();
        try {
            return inventory.getOrDefault(productId, 0);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    // 更新库存数量（写操作）
    public void updateStock(String productId, int quantity) {
        writeLock.lock();
        try {
            int currentStock = inventory.getOrDefault(productId, 0);
            inventory.put(productId, currentStock + quantity);
            System.out.println("Updated stock for product " + productId + ": " + (currentStock + quantity));
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

二、测试案例

在测试案例中，模拟多个用户并发访问库存，读取库存的线程可以并发执行，而更新库存的线程会独占锁。

public class InventoryManagerTest {
    public static void main(String[] args) {
        InventoryManager inventoryManager = new InventoryManager();
        
        // 初始化库存
        inventoryManager.updateStock("product_1", 100);
        
        // 模拟多个线程同时读取库存
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("Stock for product_1: " + inventoryManager.checkStock("product_1"));
            }).start();
        }

        // 模拟一个线程更新库存
        new Thread(() -> {
            inventoryManager.updateStock("product_1", -10);
            System.out.println("Stock after selling 10 units for product_1: " + inventoryManager.checkStock("product_1"));
        }).start();
    }
}

三、代码分析

• 读操作 (checkStock)：

  • 使用 readLock 加锁，只需获取读锁，不会影响其他读取线程。
  • 多个读取线程可以同时进入 checkStock 方法，提升读取并发性。

• 写操作 (updateStock)：

  • 使用 writeLock 加锁，写操作会阻塞其他读写操作。
  • 确保写入操作是独占的，防止并发写操作导致的数据不一致问题。

四、运行结果示例

输出可能如下（顺序可能有所不同）：

Stock for product_1: 100
Stock for product_1: 100
Stock for product_1: 100
Stock for product_1: 100
Stock for product_1: 100
Updated stock for product product_1: 90
Stock after selling 10 units for product_1: 90

五、优缺点

• 优点：读写锁分离允许多个读线程并发执行，大大提高了读操作的效率，适合读多写少的场景。
• 缺点：如果写操作频繁，写锁会阻塞读操作，可能会降低系统性能，但在写安全重要程度来看，牺牲点性能是完全可以忍受的。

到这里，你是不是可以感受到读写锁分离设计模式解决了大问题了呢，并发场景下我们必须要考虑这个问题。你学沸了吗，关注威哥爱编程，一起搞不寂寞。