ReentrantReadWriteLock源码分析

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概述

  ReentrantReadWriteLock（读写锁）是对于ReentranLock（可重入锁）的一种改进，在可重入锁的基础上，进行了读写分离。适用于读多写少的场景，对于读取和写入操作分别加锁。其中读取与读取操作同步，读取和写入，写入和写入操作互斥。并且支持写锁降级的机制。
  ReentrantReadWriteLock的体系结构：

• 实现了ReadWriteLock接口，定义了读锁和写锁的模版方法，在ReentrantReadWriteLock分别进行实现（ReentrantReadWriteLock内部实现了两把锁）。
• sync属性，实现了AQS的规范。
• ReadLock和WriteLock都实现了Lock接口，Lock接口作为可重入锁的模版，定义了共有的行为。

实现了读写锁的规范接口

sync属性，是一个静态内部类，继承了AQS，AQS是一种规范，抽象的队列式同步器
MESA管程模型，入口等待队列用于互斥，条件变量等待队列用于同步
ReentrantReadWriteLock中的写锁，实现了Lock接口
ReentrantReadWriteLock中的读锁，同样也实现了Lock接口
Lock接口，规范了锁的实现

ReentrantReadWriteLock 同样支持公平锁和非公平锁的实现

一、状态位设计

  ReentrantReadWriteLock的内部类Sync，重写了父类AQS的acquireShared方法，定义了读锁的共享、可重入特性，但是AQS的state状态位，只能表示同步状态，不能同时维护读锁、写锁的状态。在读写锁的实现中，对于state状态位，实现了按位切割的算法：

• 低 16 位（低 2 字节）：存储 写锁的重入次数。
• 高 16 位（高 2 字节）：存储 读锁的获取次数。

  为什么写锁存储的是重入次数？写锁通常是互斥的，但有时一个线程可能会多次请求写锁（即重入）所以需要统计的是，某个线程重入了几次写锁。读锁存储的是获取次数？读锁是同步的，一般不会某个线程多次请求读锁，所以需要统计的是当前有多少个线程持有读锁

  Sync类中，定义了状态位的相关属性，以及获取读，写计数的方法：

		// 读锁偏移 16 位，读锁存储在 state 的高 16 位。static final int SHARED_SHIFT   = 16;// 读锁的单位值（1 左移 16 位，即 65536）static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);//最大值 （1 左移 16 位 - 1，即 65535）static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;//用于提取 低 16 位。static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;/** Returns the number of shared holds represented in count  *///从 state 变量中提取高 16 位，即 读锁的获取次数。static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */// 按位与 & 操作 提取 低 16 位，即 写锁的重入次数。static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

  用一个案例进行说明：

1. 假设初始 state = 0（没有读锁和写锁）

state = 0x00000000 (0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000)

• 写锁（低 16 位）：exclusiveCount(state) = state & 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 = 0
• 读锁（高 16 位）：sharedCount(state) = state >>> 16 = 0

2. 假设写锁重入 3 次，此时 state = 3

state = 0x00000003 (0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011)

• 写锁（低 16 位）：

exclusiveCount(state) = state & 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111
= 00000000 00000000 00000000 00000011 & 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111
= 00000000 00000000 00000000 00000011 (3)

• 读锁（高 16 位）：

sharedCount(state) = state >>> 16
= 00000000 00000000 00000000 00000011 >>> 16
= 00000000 00000000 00000000 00000000 (0)

二、读锁

  读锁的特点是共享，也就是读锁和读锁之间不互斥，并且可重入。那么在源码的层面，是如何定义共享、可重入的？
采用sync的acquireShared

  案例代码：

public class Demo1 {private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();public static void main(String[] args) {readLock.lock();System.out.println("第一次获取到读锁");try {readLock.lock();System.out.println("第二次获取到读锁");try {System.out.println("重复获取读锁");}finally {readLock.unlock();System.out.println("第二次获取到读锁被释放");}}finally {readLock.unlock();System.out.println("第一次获取到读锁被释放");}}
}

  读锁的加锁操作：

     protected final int tryAcquireShared(int unused) {/** Walkthrough:* 1. If write lock held by another thread, fail.* 2. Otherwise, this thread is eligible for*    lock wrt state, so ask if it should block*    because of queue policy. If not, try*    to grant by CASing state and updating count.*    Note that step does not check for reentrant*    acquires, which is postponed to full version*    to avoid having to check hold count in*    the more typical non-reentrant case.* 3. If step 2 fails either because thread*    apparently not eligible or CAS fails or count*    saturated, chain to version with full retry loop.*///获取当前线程Thread current = Thread.currentThread();//获取当前线程的状态标记int c = getState();//已经有了写锁，并且写锁的拥有者不是当前线程if (exclusiveCount(c) != 0 &&getExclusiveOwnerThread() != current)//当前有写锁且不是当前线程持有的写锁，返回 -1，表示获取读锁失败。return -1;//得到读锁的获取次数int r = sharedCount(c);//检查当前线程是否需要等待 //确保当前读锁的获取次数 r 小于最大限制 MAX_COUNT//使用 CAS 操作来更新 state。if (!readerShouldBlock() &&r < MAX_COUNT &&compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//读锁的获取次数为0if (r == 0) {//标记当前线程为第一个获取到的firstReader = current;//记录第一个获取到读锁的线程的获取次数firstReaderHoldCount = 1;//读锁的获取次数不为零，并且当前线程和第一个获取到读锁的线程相同    } else if (firstReader == current) {//第一个获取到读锁的线程的获取次数增加firstReaderHoldCount++;//读锁的获取次数不为零，并且当前线程不是第一个获取到读锁的线程       } else {//从缓存中获取持有计数器HoldCounter rh = cachedHoldCounter;//如果缓存为空或者当前线程的 tid 不匹配if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))//则从 readHolds 中获取新的计数器。cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();//如果 rh.count == 0，说明当前线程刚开始持有读锁。else if (rh.count == 0)//更新计数器。readHolds.set(rh);//增加当前线程的读锁计数。rh.count++;}return 1;}//如果前面的 CAS 操作失败，进行 排队等待，直到条件满足为止。return fullTryAcquireShared(current);}

  这一段尝试获取读锁的代码，精髓在于使用 CAS 操作来更新 state，并且记录读锁的获取次数，是将第一个线程和后续线程分开计数的。

三、锁降级机制

  如果一个线程，先获取到了写锁，然后再去获取读锁，最后释放写锁，写锁能够降级成为读锁，即：一个线程在持有写锁的情况下，将写锁转换为读锁，即允许线程在修改资源之后，在不释放锁的情况下继续读取资源。（上述的操作，只针对当前线程）

public class Demo2 {private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();public static void main(String[] args) {//先获取到了写锁writeLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到写锁");try {//再去获取读锁readLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到写锁后，又获取到了读锁");}finally {//最后释放写锁writeLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁");}try{System.out.println("业务代码执行");}finally{readLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁后，释放了读锁");}}
}

  锁降级机制，特别适用于：

• 数据修改后再查询：当某个线程对共享资源进行了修改（如数据库更新），并且希望读取最新的数据时，直接降级为读锁可以避免不必要的锁切换。
• 避免频繁锁获取：在某些高并发场景中，多个线程需要频繁读取共享数据，但在一开始线程会进行写操作，降级为读锁可以避免重新获取写锁并减少锁的开销。

  为什么要在获取写锁和释放写锁之间，去获取读锁呢？主要是为了保证数据的一致性。避免先释放写锁-再获取读锁的过程中，其他线程抢先一步获取到了写锁修改了数据。获取读锁-释放写锁，那么其他线程想要获取写锁修改数据，因为读-写锁之间的互斥，所以其他线程将被阻塞。

  读锁尝试获取锁的代码中，下面的片段就是锁降级机制的体现，即已经有了写锁，并且当前线程是该写锁的持有者，那么可以继续获取读锁，不会返回-1失败：

  			//已经有了写锁，并且写锁的拥有者不是当前线程if (exclusiveCount(c) != 0 &&getExclusiveOwnerThread() != current)//当前有写锁且不是当前线程持有的写锁，返回 -1，表示获取读锁失败。return -1;

四、写锁

  在源码的层面，通过AQS的acquire方法，保证不同线程间写锁-写锁，读锁-写锁之间的互斥性。
  案例代码：

public class Demo3 {private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();public static void main(String[] args) {writeLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了写锁");try {writeLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再次获取到了写锁");try {System.out.println("....");}finally {writeLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再次释放了写锁");}}finally {writeLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁");}}
}

同一线程间写锁间（写锁和读锁间）不互斥

public class Demo3 {private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {writeLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了写锁");Thread.sleep(3000);try {new Thread(() -> {writeLock.lock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再次获取到了写锁");try {System.out.println("....");}finally {writeLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "再次释放了写锁");}}).start();}finally {writeLock.unlock();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了写锁");}}
}

不同线程间的写锁间互斥（写锁和读锁间也互斥）

    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {/** Walkthrough:* 1. If read count nonzero or write count nonzero*    and owner is a different thread, fail.* 2. If count would saturate, fail. (This can only*    happen if count is already nonzero.)* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if*    it is either a reentrant acquire or*    queue policy allows it. If so, update state*    and set owner.*///获取当前线程Thread current = Thread.currentThread();//获取状态int c = getState();//提取当前状态 c 中的写锁计数int w = exclusiveCount(c);//状态不为0  意味着锁当前处于非空状态if (c != 0) {// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)//写锁重入次数为0 或者 当前线程不是写锁的持有者//说明当前线程没有持有写锁，或者存在读锁或其他线程持有写锁（实现不同线程间的读-写 写-写互斥）if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())//返回加锁失败return false;//重入次数超过限制if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)throw new Error("Maximum lock count exceeded");// Reentrant acquire//状态 + 重入次数setState(c + acquires);//加锁成功return true;}//状态为0//应该被阻塞 或 CAS 状态 + 重入次数 累加失败if (writerShouldBlock() ||!compareAndSetState(c, c + acquires))//返回加锁失败return false;//设置当前线程为锁的持有者setExclusiveOwnerThread(current);return true;}

总结

  线程可以获取到读锁的条件：

• 没有其他线程获取到写锁。
• 有写锁，但是是当前线程持有（锁降级机制）

  线程可以获取到写锁的条件：

• 没有其他线程获取到读锁。
• 没有其他线程获取到写锁。

  对于同一个线程而言：读线程获取读锁后，能够再次获取读锁（不能再获取到写锁，即不支持锁升级）。写线程在获取写锁之后能够再次获取写锁，同时也可以获取读锁。

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