JUC之ReadWriteLock、ReentrantReadWriteLock读写锁

读写锁简介

　　对共享资源有读和写的操作，且写操作没有读操作那么频繁。在没有写操作的时候，多个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程读取共享资源；但是如果一个线程想去写这些共享资源，就不应该允许其他线程对该资源进行读和写操作了。

　　读写锁ReentrantReadWriteLock，它表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁，描述如下：

读锁的条件：

　　1. 没有其他线程的写锁；

　　2. 对写锁请求的线程必须是同一个。

写锁的条件：

　　1. 没有其他线程的读锁；

　　2. 没有其他线程的写锁。

　　读写锁的三个重要特性：

　　　　①. 公平选择权：支持非公平(默认)和公平的锁获取方式，非公平锁吞吐量大于公平锁。

　　　　②. 重进入：读锁和写锁都支持线程重进入。

　　　　③. 锁降级：遵循获取写锁、获取读锁、释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。

源码解读

ReentrantReadWriteLock类的整体结构：

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {

    // 读锁 
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;

    // 写锁 
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;

    final Sync sync;
    
    // 使用默认（非公平）的排序属性创建一个新的 ReentrantReadWriteLock 
    public ReentrantReadWriteLock() {
        this(false);
    }

    // 使用给定的公平策略创建一个新的 ReentrantReadWriteLock 
    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }

    // 返回用于写入操作的锁 
    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
    
    // 返回用于读取操作的锁
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }
　　 // 继承AQS
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}
　　 // 非公平锁
    static final class NonfairSync extends Sync {}
　　 // 公平锁
    static final class FairSync extends Sync {}
 　　// 读锁
    public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}
　　 // 写锁
    public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

类的继承关系

　　public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {}

　　ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口，ReadWriteLock接口定义了获取读锁和写锁的规范，具体需要实现类去实现；同时其还实现了Serializable接口，表示可以进行序列化。

类的内部类

ReentrantReadWriteLock有五个内部类，五个内部类之间也是相互关联的。

说明：如上图所示，Sync继承AQS、NonfairSync和FairSync继承自Sync类；ReadLock和WriteLock实现了Lock接口。

Sync类

（1）类的继承关系

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

　　Sync抽象类继承自AQS抽象类，Sync类提供了对ReentrantReadWriteLock的支持

（2）类的构造器

Sync() {
　　　 // 本地线程计数器
      readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
　　　　// 设置AQS的状态
      setState(getState()); // 确保readhold的可见性
}

（3）类的属性

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 版本序列号
    private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;        
    // 高16位为读锁，低16位为写锁
    static final int SHARED_SHIFT   = 16;
    // 读锁单位。SHARED_SHIFT * 2
    static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
    // 读锁最大数量
    static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
    // 写锁最大数量
    static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
    // 本地线程计数器
    private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
    // 缓存的计数器
    private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
    // 第一个读线程
    private transient Thread firstReader = null;
    // 第一个读线程的计数
    private transient int firstReaderHoldCount;
}

（4）内部类

// 计数器
static final class HoldCounter {
　　　　 // 计数
       int count = 0;
        // Use id, not reference, to avoid garbage retention
　　　　 // 获取当前线程的TID属性的值
       final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
// 本地线程计数器
static final class ThreadLocalHoldCounter extends ThreadLocal<HoldCounter> {
　　　　// 重写初始化方法，在没有进行set的情况，获取的都是该HoldCounter值
      public HoldCounter initialValue() {
           return new HoldCounter();
      }
}

HoldCounter主要有两个属性，count和tid，其中count表示某个读线程重入的次数，tid表示该线程的tid字段的值，该字段可以用来唯一标识一个线程。

ThreadLocalHoldCounter重写了ThreadLocal的initialValue方法，ThreadLocal类可以将线程与对象相关联。在没有进行set的情况下，get到的均是initialValue方法里面生成的那个HolderCounter对象。

（5）类的方法

// 返回读锁线程数量
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 返回写锁线程数量
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
说明：直接将state右移16位，就可以得到读锁的线程数量，因为state的高16位表示读锁，对应的第十六位表示写锁数量。

写锁的获取

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            Thread current = Thread.currentThread(); //当前线程
            int c = getState();  //获取状态
            int w = exclusiveCount(c);  //写线程数量
　　　　　　  // 当同步状态state ！= 0，则已有线程获取读锁或写锁
            if (c != 0) {
                // 如果写锁状态为0，说明读锁此时被占用 则返回false；如果写锁状态不为0，且写锁没有被当前线程持有 则返回false
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) //判断同一线程获取写锁是否超过最大次数（65535），也算可重入
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // 更新状态
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
　　　　　　   // 到这里说明c=0，读/写锁都没有被获取。 判断是否正在阻塞 或 CAS更新状态失败
            if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);  //设置锁为当前线程所有
            return true;
        }

获取写锁的步骤如下：

（1）首先获取c、w。c表示当前锁状态；w表示写线程数量。然后判断同步状态state是否为0。如果state!=0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁，执行(2)；否则执行(5)。

（2）如果锁状态不为零（c != 0），而写锁的状态为0（w = 0），说明读锁此时被其他线程占用，所以当前线程不能获取写锁，自然返回false。或者锁状态不为零，而写锁的状态也不为0，但是获取写锁的线程不是当前线程，则当前线程也不能获取写锁。

（3）判断当前线程获取写锁是否超过最大次数，若超过，抛异常，反之更新同步状态（此时当前线程已获取写锁，更新是线程安全的），返回true。

（4）如果state为0，此时读锁或写锁都没有被获取，判断是否需要阻塞（公平和非公平方式实现不同），在非公平策略下总是不会被阻塞，在公平策略下会进行判断（判断同步队列中是否有等待时间更长的线程，若存在，则需要被阻塞，否则，无需阻塞），如果不需要阻塞，则CAS更新同步状态，若CAS成功则返回true，失败则说明锁被别的线程抢去了，返回false。如果需要阻塞则也返回false。

（5）成功获取写锁后，将当前线程设置为占有写锁的线程，返回true。

方法流程图：

写锁的释放

protected final boolean tryRelease(int releases) {
　　　　　　　 // 锁不是当前线程持有者
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
　　　　　　　 // 写锁的新线程数。如果重入了几次，就要执行几次释放
            int nextc = getState() - releases;
　　　　　　  // 如果写（独占）模式重入数为0了，说明独占模式被释放
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
            if (free)
                setExclusiveOwnerThread(null); //写锁释放完成，设置锁的持有者为null
            setState(nextc);  //更新重入数
            return free;
        }

写锁释放过程：

　　1. 首先查看当前线程是否为写锁的持有者，如果不是抛出异常。

　　2. 然后检查释放后写锁的线程数是否为0，如果为0则表示写锁空闲了，释放锁资源将锁的持有线程设置为null，否则释放仅仅只是一次重入锁而已，并不能将写锁的线程清空。

说明：此方法用于释放写锁资源，首先会判断该线程是否为独占线程，若不为独占线程，则抛出异常，否则，计算释放资源后的写锁的数量，若为0，表示成功释放，资源不将被占用，否则，表示资源还被占用。

其方法流程图如下。

读锁的获取

// 从名称可见，读锁为共享锁，可被多个线程持有
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            // 当前线程
            Thread current = Thread.currentThread();
　　　　　　  // 获取状态
            int c = getState();
　　　　　　　 // 如果写锁线程数 ！=0，且独占锁不是当前线程 返回false。 因为存在锁降级
            if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
　　　　　　　 // 读锁数量
            int r = sharedCount(c);
　　　　　　   // 读锁是否被阻塞 && 线程数小于最大值 && CAS设置成功
            if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
　　　　　　　　　　// r == 0, 表示第一个读锁线程，首个读锁firstRead不会加入到readHolds中
                if (r == 0) {  //读锁数量0
                    firstReader = current; //设置第一个线程
                    firstReaderHoldCount = 1;  //读锁占用资源数为1
                } else if (firstReader == current) {  //当前线程为第一个读线程，即线程重入
                    firstReaderHoldCount++; //占用资源数加1
                } else { //读锁数量不为0，且不是当前线程
　　　　　　　　　　　　 // 获取计数器
                    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
　　　　　　　　　　　　 //计数器为空 || 计数器tid不是当前线程的tid
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                        cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();  //获取当前线程的计数器
                    else if (rh.count == 0)  //计数为0
                        readHolds.set(rh);  //加入readHolds中
                    rh.count++;
                }
                return 1;
            }
　　　　　　   //三个条件不满足（读线程是否应该被阻塞、小于最大值、比较设置成功）则会进行fullTryAcquireShared函数中，它用来保证相关操作可以成功。
            return fullTryAcquireShared(current);
        }

fullTryAcquireShared()方法

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
            //
            HoldCounter rh = null;
            for (;;) {
                int c = getState(); //获取状态
　　　　　　　　　　//写线程数不为0
                if (exclusiveCount(c) != 0) { 
　　　　　　　　　　　　 // 不为当前线程 
                    if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                        return -1;
                } else if (readerShouldBlock()) { // 写线程数量为0，且读线程被阻塞
                    // 当前线程是第一个度线程
                    if (firstReader == current) {
                        // assert firstReaderHoldCount > 0;
                    } else { //当前线程不是第一个读线程
                        if (rh == null) { //计数器为空
                            rh = cachedHoldCounter; 
　　　　　　　　　　　　　　　　　 // 计数器为空 或者 计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
                            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { 
                                rh = readHolds.get();
                                if (rh.count == 0)
                                    readHolds.remove();
                            }
                        }
                        if (rh.count == 0)
                            return -1;
                    }
                }
                if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)  // 读锁数为最大值，异常
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
　　　　　　　　　　// CAS成功
                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
　　　　　　　　　　　　 // 读数量为0
                    if (sharedCount(c) == 0) {
                        firstReader = current; // 设置第一个读线程
                        firstReaderHoldCount = 1; //读线程占用资源数
                    } else if (firstReader == current) { // 读线程重入
                        firstReaderHoldCount++;
                    } else { //读锁数量不为0，并且不为当前线程
                        if (rh == null)
                            rh = cachedHoldCounter;
                        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 计数器为空 || 计数器的tid不为当前线程的tid
                            rh = readHolds.get();  //获取当前线程的计数器
                        else if (rh.count == 0)  //计数为0
                            readHolds.set(rh);  //加入到readHolds中
                        rh.count++;
                        cachedHoldCounter = rh; // cache for release
                    }
                    return 1;
                }
            }
        }

读写锁取锁过程：

　　1. 首先判断写锁是否为0,，且当前线程不占有独占锁（写锁），之间返回；

　　2. 否则，判断读线程是否被阻塞 && 读锁数小于最大值 && CAS成功，若当前没有读锁，则设置第一个读线程firstReader和firstReaderHoldCount；

　　3. 若当前线程线程为第一个读线程，则增加firstReaderHoldCount；

　　4. 否则，将设置当前线程对应的HoldCounter对象的值。

流程图：

注意：更新成功后会在firstReaderHoldCount中或readHolds(ThreadLocal类型的)的本线程副本中记录当前线程重入数（23行至43行代码），这是为了实现jdk1.6中加入的getReadHoldCount()方法的，这个方法能获取当前线程重入共享锁的次数(state中记录的是多个线程的总重入次数)，加入了这个方法让代码复杂了不少，但是其原理还是很简单的：如果当前只有一个线程的话，还不需要动用ThreadLocal，直接往firstReaderHoldCount这个成员变量里存重入数，当有第二个线程来的时候，就要动用ThreadLocal变量readHolds了，每个线程拥有自己的副本，用来保存自己的重入数。

读锁的释放

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread(); //当前线程
            if (firstReader == current) { // 当前线程是否为第一个读线程
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
                if (firstReaderHoldCount == 1)  //读线程占用资源数为1
                    firstReader = null;
                else  //减少占用的资源
                    firstReaderHoldCount--;
            } else {  // 当前线程不是第一个读线程
　　　　　　　　　　// 获取缓存的计数器
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))  //计数器为空 || 计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
                    rh = readHolds.get(); // 获取当前线程的计数器
                int count = rh.count;  // 获取计数
                if (count <= 1) {  // 计数小于等于1
                    readHolds.remove(); //移除
                    if (count <= 0) //计数小于等于0，异常
                        throw unmatchedUnlockException();
                }
                --rh.count;  // 减少计数
            }
            for (;;) {
                int c = getState();  // 获取状态
                int nextc = c - SHARED_UNIT;  
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

读锁释放过程：

　　1. 首先判断当前线程是否为第一个读线程firstReader，若是，则判断第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount是否为1，若是，则设置第一个读线程firstReader为空。

　　　否则，将第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount减1；

　　2. 若当前线程不是第一个读线程，那么首先会获取缓存计数器（上一个读锁线程对应的计数器），若计数器为空或者tid不等于当前线程的tid值，则获取当前线程的计数器.

　　如果计数器的计数count小于等于1，则移除当前线程对应的计数器；如果计数器的计数count小于等于0，则抛出异常，之后再减少计数即可。

流程图

在读锁的获取、释放过程中，总是会有一个对象存在着，同时该对象在获取线程获取读锁是+1，释放读锁时-1，该对象就是HoldCounter。

要明白HoldCounter就要先明白读锁。前面提过读锁的内在实现机制就是共享锁，对于共享锁其实我们可以稍微的认为它不是一个锁的概念，它更加像一个计数器的概念。

一次共享锁操作就相当于一次计数器的操作，获取共享锁计数器+1，释放共享锁计数器-1。只有当线程获取共享锁后才能对共享锁进行释放、重入操作。

所以HoldCounter的作用就是当前线程持有共享锁的数量，这个数量必须要与线程绑定在一起，否则操作其他线程锁就会抛出异常。

对于非公平/公平内部类、读/写锁内部类的方法，大多都会转到调用Sync内部类的方法。

除内部类的方法外的其他方法，都是一些基本信息：读线程数、写线程数、是否被加读/写锁等等，不是很难结合源码自行查看。