Java并发编程-ReentrantReadWriteLock
基于AQS的前世今生，来学习并发工具类ReentrantReadWriteLock。本文将从ReentrantReadWriteLock的产生背景、源码原理解析和应用来学习这个并发工具类。
1、 产生背景
前面我们学习的重入锁ReentrantLock本质上还是互斥锁，每次最多只能有一个线程持有ReentrantLock。对于维护数据完整性来说，互斥通常是一种过于强硬的规则，因此也就不必要的限制了并发性。互斥是一种保守的加锁策略，虽然可以避免“写/写”冲突和“写/读”冲突，但也同样避免了“读/读”冲突。和互联网的“二八法则”一样，大部分数据都是读数据，可以存放在缓存中，数据结构的操作其实很多也是读操作，可以考虑适当的放宽加锁需求，允许多个读操作线程同时访问数据结构以提升程序的性能。在这样的需求背景下，就产生了读写锁ReadWriteLock，一个资源可以同时被多个读操作访问，或者被一个写操作访问，但是不能读写操作同时访问。ReadWriteLock定义了接口规范，实际实现读写锁控制的类是ReentrantReadWriteLock，该类为读写锁提供了可重入的加锁语义。
2、 源码原理解析
2.1 读写锁原理
既然是读写锁，那就是有两把锁，可以用AQS的同步状态表示其中的一把锁，再引入一个新的属性表示另外一把锁，但是这么做就变成了二元并发安全问题，使问题变得更加复杂。ReentrantReadWriteLock选择了用一个属性，即AQS的同步状态来表示读写锁，怎样用一个属性来表示读写锁呢？那就是位运算，对位运算不熟悉的可以先看下此文。
ReentantReadWriteLock采用“按位切割”的方式，就是将这个32位的int型state变量分为高16位和低16位来使用，高16位代表读状态，低16位代表写状态。读锁是可以共享的，而写锁是互斥的，对于写锁而言，用低16位表示线程的重入次数，但是读锁因为可以同时有多个线程，所以重入次数需要通过其他的方式来记录，那就是ThreadLocal变量。从这也可以总结出来和ReentrantLock相比，写锁的重入次数会减少，最多不能超过65535次。读锁的线程数也有限制，最对不能超过65535个。
假设状态变量是c，则读状态就是c>>>16（无符号右移16位），其实就是通过无符号右移运算抹掉低的16位，剩下的就是c的高16位。写状态是c&((1 << 16) - 1)，其实就是c&00000000000000001111111111111111，与运算之后，高的16位被抹掉，剩下的就是c的低16位。如果读线程申请读锁，当前写锁重入次数不为 0 时，则等待，否则可以马上分配；如果是写线程申请写锁，当前状态为 0 则可以马上分配，否则等待。
2.2 读锁的获取和释放
读锁的获取方法如下：
protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread();//当前线程 int c = getState(); //持有写锁的线程可以获取读锁 if (exclusiveCount(c) != 0 && //已经分配了写锁 getExclusiveOwnerThread() != current) //当前线程不是持有写锁的线程 return -1; int r = sharedCount(c); //读锁获取次数 if (!readerShouldBlock() && //由子类根据公平策略实现决定是否可获取读锁 r < MAX_COUNT && //读锁获取次数小于最大值 compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//更新读锁状态 if (r == 0) {//读锁的第一个线程 此时可以不用记录到ThreadLocal firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; //避免查找ThreadLocal 提升效率 } else if (firstReader == current) {//读锁的第一个线程重入 firstReaderHoldCount++; } else {//非读锁的第一个线程 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; //下面为重入次数更新 if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current); //获取读锁失败 循环重试 } final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; for (;;) { int c = getState(); if (exclusiveCount(c) != 0) {//获取到写锁 if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; //非写锁线程获取失败 // else we hold the exclusive lock; blocking here // would cause deadlock. } else if (readerShouldBlock()) { // Make sure we're not acquiring read lock reentrantly if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; } else { if (rh == null) { rh = cachedHoldCounter; 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) //读锁数量达到最大 throw new Error("Maximum lock count exceeded"); if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//读锁获取成功 处理方式和之前类似 if (sharedCount(c) == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; cachedHoldCounter = rh; // cache for release } return 1; } } }
读锁的释放方法如下：
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); if (firstReader == current) {//当前线程是读锁的第一个线程 // assert firstReaderHoldCount > 0; if (firstReaderHoldCount == 1) //第一次占有读锁 直接清除该线程 firstReader = null; else firstReaderHoldCount--;//读锁的第一个线程重入次数减少 } else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); int count = rh.count; if (count <= 1) { readHolds.remove();//读锁释放 if (count <= 0) throw unmatchedUnlockException(); } --rh.count; //重入次数减少 } for (;;) { int c = getState(); int nextc = c - SHARED_UNIT; //减少读锁的线程数量 if (compareAndSetState(c, nextc)) // Releasing the read lock has no effect on readers, // but it may allow waiting writers to proceed if // both read and write locks are now free. return nextc == 0; } }
2.3 写锁的获取和释放
写锁的获取方法如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); int w = exclusiveCount(c);//写锁状态 if (c != 0) {//表示锁已经被分配出去了 if c != 0 and w == 0表示获取读锁 // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0) //其他线程获取到了写锁 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; //写锁重入次数超过最大值 if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // Reentrant acquire 更新写锁重入次数 setState(c + acquires); return true; } if (writerShouldBlock() ||//子类实现写锁是否公平获取 !compareAndSetState(c, c + acquires)) return false;//cas获取写锁失败 setExclusiveOwnerThread(current);//获取写锁成功 独占 return true; }
写锁的释放方法如下：
protected final boolean tryRelease(int releases) { if (!isHeldExclusively())//当前线程不持有写锁 throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; //重入次数减少 boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; //减少到0写锁释放 if (free) setExclusiveOwnerThread(null); //写锁释放 setState(nextc); return free; }
2.4 锁降级
锁降级指的是写锁降级为读锁，首先持有当前写锁，然后获取到读锁，在tryAcquireShared方法中已经体现了该过程，随后再释放该写锁的过程。锁降级主要是为了保持数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此时有另外的线程获取到了写锁并修改了数据，那么当前线程是无法知晓数据已经更新了。如果当前线程遵循锁降级的过程，则其他线程会被阻塞，直到当前线程操作完成其他线程才可以获取写锁进行数据更新。RentrantReadWriteLock不支持锁升级（把持读锁、获取写锁，最后释放读锁的过程）。目的也是保证数据可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据，则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。
3、 应用
概况性的总结RentrantReadWriteLock的应用，就是ReentrantLock能使用的地方，RentrantReadWriteLock都能使用，而且能提供更好的吞吐率。
参考资料:
