读写锁-ReentrantReadWriteLock源码分析与图解

╰+攻爆jí腚メ 2021-07-25 02:40 449阅读 0赞

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#### 为何要有读写锁 ####

> ReentrantLock锁和其他锁基本上都是排他锁，排他锁指的是在同一时刻只允许一个线程持有锁，访问共享资源。虽然ReentrantLock支持同一个线程重入，但是允许重入的是同一个线程。因此ReentrantReadWriteLock是为了支持多个线程在同一个时刻对于锁的访问孕育而生的。

#### 读写锁—简单介绍 ####

> 读写锁ReentrantReadWriteLock允许多个线程在同一时刻对于锁的访问。但是，写线程获取写锁时，所有的读线程和其他写线程均会被阻塞。读写锁是通过维护一对锁（一个读锁、一个写锁）来实现的，读写锁在很多读多于写得场景中有很大的性能提升。举个例子，当我们对数据库中的一条记录进行读取时，不应该阻塞其他读取这条数据的线程，而如果是有线程对该记录进行写操作，数据库就应该阻止其他线程对这条数据的读取和写入，这种场景就可以用类似读写锁的方式来处理。

#### 特性 ####

![3374f5167193713959c21c8168fff940.png][]

#### 使用示例 ####

> 通过ReentrantReadWriteLock来实现一个线程安全的简单内存缓存设计，通过给缓存获取get(String key)方法加上读锁，允许其他线程在同一个时刻进行数据读取；给put(String key,String value)方法加上写锁，禁止在对缓存写入的时候其他线程对于缓存的读取和写入操作。

package com.lizba.p6;
    
    import java.util.HashMap;
    import java.util.Map;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
    
    /** * <p> * 使用ReentrantReadWriteLock实现一个简单的线程安全基于map的缓存设计 * </p> * * @Author: Liziba * @Date: 2021/6/22 22:11 */
    public class CacheDemo { 
    
        /** 存储数据容器 */
        private static Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
        /** 读写锁ReentrantReadWriteLock */
        private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        /** 读锁 */
        static Lock readLock = lock.readLock();
        /** 写锁 */
        static Lock writeLock = lock.writeLock();
    
        /** * 获取数据，使用读锁加锁 * @param key * @return */
        public static Object get(String key) { 
            readLock.lock();
            try { 
                return cache.get(key);
            } finally { 
                readLock.unlock();
            }
        }
    
        /** * 设置key&value，使用写锁，禁止其他线程的读取和写入 * @param key * @param value * @return */
        public static void put(String key, Object value) { 
            writeLock.lock();
            try { 
                cache.put(key, value);
            } finally { 
                writeLock.unlock();
            }
        }
    
        /** * 清空缓存 */
        public static void flush() { 
            writeLock.lock();
            try { 
                cache.clear();
            } finally { 
                writeLock.unlock();
            }
        }
    
    }

####  ####

#### 实现分析 ####

> ReentrantReadWriteLock是基于AQS来实现的，我们知道AQS是以单个int类型的原子变量来表示其状态的，那么一个状态如何即表示读锁又表示写锁呢？观察源码发现（后续会有源码解析）ReentrantReadWriteLock通过使用一个32位的整型变量的高16位表示读，低16位表示写来维护读线程和写线程对于锁的获取情况。此时部分读者可能又会产生一个疑问，写锁是互斥的，只支持有一个线程持有写锁，用低16位记录同一个线程对写锁的多次重入是没问题的；那么对于允许多个线程获取的读锁，高16位又是如何维护持有锁的线程数和单个线程对读锁的获取次数的呢？其实这里引入了ThreadLocal来记录单个线程自己对于读锁的获取次数，高16位存储的是获取读锁的线程的个数。这里只是简单说下疑问，后续源码会有详细分析。我们先来看看这个int类型的变量的划分方式。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

如上个这个图写状态=1，表示当前线程获取了写锁，读状态=2，表示该线程同时获取了两次读锁。使用高低位来表示读写状态，那么状态的获取和设值是如何实现的呢？

**写状态的get()**

> 此时假设同步状态，也就是32的整型变量的值为S，写状态的获取方式为S&0x0000FFFF，这种办法会保留低16位的同时抹去高16位，也就能计算出写状态的获取情况。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**写状态的set()**

> 设值方式相对简单，直接+1即可，即S = S + 1

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

**读状态的get()**

> 读状态的获取需要读取高16位，此时采取的方法是S>>>16（无符号右移16位，高位补0），这样就能等到读状态。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

**读状态的set()**

> 读状态增加1，计算方式为S+(1<<16)，相当于S+0x00010000

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

#### 源码分析 ####

> 源码分析主要分为四块，分别是ReentrantReadWriteLock中一个int分为两半计算方式、写锁的获取与释放、读锁的获取与释放以及锁降级这几个方面来展开。

##### 1、一个int分为两半计算方式 #####

int拆分为高16位和低16位的计算是在ReentrantReadWriteLock的内部类在Sync中实现的，其主要核心如下

/** * Sync是ReentrantReadWriteLock的内部类，它继承了AQS，其实现有FairSync和NonfairSync */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 
    
        /** 定义位移数变量16 */
        static final int SHARED_SHIFT   = 16;
        /** 读锁是高16位，读锁加1需要加2^16，也就是 1 << 16 */
        static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
        /** 读锁最大线程获取数和写锁最大可重入次数 65535*/
        static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
        /** 写锁是低16位，(1 << 16) - 1为写锁的掩码，用于计算写锁的重入次数 */
        static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
    
        /** 计算读锁持有的线程数 c >>> 16 */
        static int sharedCount(int c)    {  return c >>> SHARED_SHIFT; }
        /** 计算写锁持有的线程重入次数 c & 0x0000FFFF */
        static int exclusiveCount(int c) {  return c & EXCLUSIVE_MASK; }
    }

##### 2、写锁的获取与释放 #####

WriteLock写锁是一个支持重入的排它锁，它的获取与释放通过tryAcquire(int arg)和tryRelease(int arg)来实现，获取到写锁的条件是，当前读锁未被获取或者当前线程是持有写锁的线程，否则获取失败进入等待状态。

**写锁获取**

/** * tryAcquire方法实现在Sync中 */
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
        // 获取当前线程
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取当前状态值
        int c = getState();
        // 计算当前写锁的重入次数
        int w = exclusiveCount(c);
        // 如果状态不为0，表示锁已经被某个线程获取
        if (c != 0) { 
            // 如果写锁未被获取（因为c!=0那就是存在读锁），或者持有锁的线程和当前线程不是同一个线程，那么获取锁失败
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                return false;
            // 否则为重入
            // 判断是否超过写锁重入的最大值，超过则直接抛出异常
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 设置重入次数，递增，返回重入锁成功
            setState(c + acquires);
            return true;
        }
        // 如果状态为0
        // writerShouldBlock()的实现由FairSync和NonfairSync实现
        // FairSync中需判断当前节点是否有前驱节点是否需要阻塞
        // NonfairSync中写锁则不需要阻塞，默认优先
        // 如果不需要阻塞，则CAS更新状态的值
        // 需要阻塞或者更新失败均返回false
        if (writerShouldBlock() ||
            !compareAndSetState(c, c + acquires))
            return false;
        // 更新成功则设置当前独占锁的持有线程为当前线程
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }

**写锁释放**

/** * tryRelease方法实现在Sync中 */
    protected final boolean tryRelease(int releases) { 
        // 判断当前线程是否是独占锁的持有线程，不是则抛出异常
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 计算需要更新的状态值
        int nextc = getState() - releases;
        // 判断释放后写锁是否完全被释放也就是重入的每一次都已经退出了
        boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
        // 如果写锁完全释放，则需要清空写锁的持有线程引用置为null
        if (free)
            setExclusiveOwnerThread(null);
        // 更新状态值
        setState(nextc);
        return free;
    }

**3、读锁的获取与释放**

> 读锁的获取与释放相比写锁的获取与释放相对来说要复杂一些，因为它是支持重入的共享锁，它能被多个线程同时获取，因此我们不仅需要记录获取读锁的每一个线程，同时需要记录每个线程对于读锁的重入次数，因此我们首先来看读锁的重入计数。

**读锁的重入计数**  
读锁的重入计数，巧妙的使用每个线程自己来记录，通过存在在ThreadLocal中的HoldCounter中的变量count来增加和减少，其是线程隔离的因此也是线程安全的，具体实现在Sync中。

/** * Sync是ReentrantReadWriteLock的内部类，它继承了AQS，其实现有FairSync和NonfairSync */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { 
        
        /** * 用于每个线程读锁重入次数记录，线程安全 */
        static final class HoldCounter { 
            int count = 0;
            // 持有线程ID
            final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
        }
    
    	/** * 继承自ThreadLocal，重写initialValue(),重写为了更方便使用和初始化 */
        static final class ThreadLocalHoldCounter
            extends ThreadLocal<HoldCounter> { 
            public HoldCounter initialValue() { 
                return new HoldCounter();
            }
        }
    
    	// 构造函数中初始化
        private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
    	// 缓存最近获取的HoldCounter，也是为了性能开销
        private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
       
        /** * firstReader和firstReaderHoldCount是为了在无竞争读锁的情况下计数和获取更加便宜 */
        // 记录第一个读锁获取的线程
        private transient Thread firstReader = null;
        // 记录第一个读线程重入次数
        private transient int firstReaderHoldCount;
    
        Sync() { 
            readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
            // 这里也比较巧妙，利用volatile的内存语义，来保证ThreadLocalHoldCounter()实例化时的内存可见性
            setState(getState()); 
        }
    }

**读锁获取**

/* * tryAcquireShared方法实现在Sync中，unused如其定义未被使用 */
    protected final int tryAcquireShared(int unused) { 
    	// 获取当前线程
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 获取同步状态值
        int c = getState();
        // exclusiveCount(c)获取写锁的值，如果不为0表示写锁已被持有
        // getExclusiveOwnerThread(),如果是写锁则需要判断当前线程和持有写锁（互斥锁）的线程是否相等
        // 因为写锁被允许获取读锁，如果不是同一个线程则直接返回-1
        if (exclusiveCount(c) != 0 &&
            getExclusiveOwnerThread() != current)
            return -1;
        // 获取读锁持有的线程数
        int r = sharedCount(c);
        // readerShouldBlock() 有两个实现分别是FairSync和NonfairSync，两种的获取锁策略实现不一样，用于判断是否获取读锁
        // r < MAX_COUNT 判断读锁获取线程数是否小于最大值
        // compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) 尝试获取读锁
        if (!readerShouldBlock() &&
            r < MAX_COUNT &&
            compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { 
            // 如果获取所成功
            // 当前线程为第一个获取锁的线程，并且是第一次
            if (r == 0) { 
                // 设置当前线程为firstReader
                firstReader = current;
                // 设置当前线程重入读锁的次数为1
                firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (firstReader == current) {   // 如果不是第一次，但是是第一个获取读锁的线程
                // 当前线程重入读锁的次数为累加1
                firstReaderHoldCount++;
            } else { 
                // 获取缓存cachedHoldCounter
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                // 如果缓存为空，或者缓存的线程ID与当前线程ID不一致
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    // 从ThreadLocalHoldCounter中读取当前线程的读锁重入次数，设置缓存
                    cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
                else if (rh.count == 0) // 缓存存在，但是重入次数为空
                    // 设置当前线程readHolds中的HoldCounter
                    readHolds.set(rh);
                // 重入次数+1
                rh.count++;
            }
            return 1;
        }
        // 获取读锁失败，自旋重试
        return fullTryAcquireShared(current);
    }

**读锁释放**

/** * tryReleaseShared方法实现在Sync中 */
    protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { 
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 当前线程为第一个持有读锁的线程，则清除firstReader或者计数自减1
        if (firstReader == current) { 
            if (firstReaderHoldCount == 1)
                firstReader = null;
            else
                firstReaderHoldCount--;
        } else { 
            // 缓存是否命中，没命中则从readHolds获取HoldCounter
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                rh = readHolds.get();
            // 获取当前线程的重入次数
            int count = rh.count;
            // <=1移除计数（读锁完全释放了），<= 0抛出异常
            if (count <= 1) { 
                readHolds.remove();
                if (count <= 0)
                    throw unmatchedUnlockException();
            }
            // 计数递减
            --rh.count;
        }
        // 循环CAS更新state的状态
        for (;;) { 
            int c = getState();
            int nextc = c - SHARED_UNIT;
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }

##### 4、锁降级 #####

> 在ReentrantReadWriteLock读写锁中，写锁可以降级为读锁这称之为锁降级，但是读锁是不能升级为写锁的。锁的降级不能在释放写锁后再去获取读锁，而应该在获取到写锁（拥有写锁）的时候去获取读锁，随后再释放写锁，最后在释放读锁，这才是正确的方式。

一个锁降级的伪代码：

volatile boolean flag = false;
    // User对象模拟操作的共享资源
    User data = null;
    // 获取写锁
    writeLock.lock();
    try { 
    	if(!flag) { 
        	// 共享资源处理
            data = new User();
            flag = true;
        }
        readLock.lock(); // 获取读锁，此时写锁并未释放
    } finally { 
    	writeLock.unlock(); // 此时可以安全释放写锁
    }
    
    // 写锁释放之前获取了读锁，这个被视为锁降级
    try { 
        // 共享资源操作
    	String name = user.getName();
    } finally { 
    	readLock.unlock(); // 读锁释放
    }

[3374f5167193713959c21c8168fff940.png]: /images/20210724/26edd9a508fa4f7f885ec6ec28946a57.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20210724/246bb9c935e94b97a705fccbb6577198.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20210724/69215f17e040457fb2f553e6f52495e3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMTI1MjE5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20210724/9eed2351ceda4257bf65df4c3a9f5473.png