Java显式锁学习总结之五：ReentrantReadWriteLock源码分析

Posted 2020-09-02 我是家宝

概述

我们在介绍AbstractQueuedSynchronizer的时候介绍过，AQS支持独占式同步状态获取/释放、共享式同步状态获取/释放两种模式，对应的典型应用分别是ReentrantLock和Semaphore，AQS还可以混合两种模式使用，读写锁ReentrantReadWriteLock就是如此。

设想以下情景：我们在系统中有一个多线程访问的缓存，多个线程都可以对缓存进行读或写操作，但是读操作远远多于写操作，要求写操作要线程安全，且写操作执行完成要求对当前的所有读操作马上可见。

分析上面的需求：因为有多个线程可能会执行写操作，因此多个线程的写操作必须同步串行执行；而写操作执行完成要求对当前的所有读操作马上可见，这就意味着当有线程正在读的时候，要阻塞写操作，当正在执行写操作时，要阻塞读操作。一个简单的实现就是将数据直接加上互斥锁，同一时刻不管是读还是写线程，都只能有一个线程操作数据。但是这样的问题就是如果当前只有N个读线程，没有写线程，这N个读线程也要傻呵呵的排队读，尽管其实是可以安全并发提高效率的。因此理想的实现是：

当有写线程时，则写线程独占同步状态。

当没有写线程时只有读线程时，则多个读线程可以共享同步状态。

读写锁就是为了实现这种效果而生。

使用示例

我们先来看一下读写锁怎么使用，这里我们基于hashmap（本身线程不安全）做一个多线程并发安全的缓存：

public class ReadWriteCache {
    private static Map<String, Object> data = new HashMap<>();
    private static ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(false);
    private static Lock rlock = lock.readLock();
    private static Lock wlock = lock.writeLock();

    public static Object get(String key) {
        rlock.lock();
        try {
            return data.get(key);
        } finally {
            rlock.unlock();
        }
    }

    public static Object put(String key, Object value) {
        wlock.lock();
        try {
            return data.put(key, value);
        } finally {
            wlock.unlock();
        }
    }

}

限于篇幅我们只实现2个方法，get和put。从代码可以看出，我们先创建一个  ReentrantReadWriteLock 对象，构造函数 false 代表是非公平的（非公平的含义和ReentrantLock相同）。然后通过readLock、writeLock方法分别获取读锁和写锁。在做读操作的时候，也就是get方法，我们要先获取读锁；在做写操作的时候，即put方法，我们要先获取写锁。

通过以上代码，我们就构造了一个线程安全的缓存，达到我们之前说的：写线程独占同步状态，多个读线程可以共享同步状态。

源码分析

我们先来看下 ReentrantReadWriteLock 类的整体结构：

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    /** Inner class providing writelock */
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    /** Performs all synchronization mechanics */
    final Sync sync;

    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }

    public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }


    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {}

    static final class NonfairSync extends Sync {}

    static final class FairSync extends Sync {}

    public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {}

    public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {}
}

可以看到，在公平锁与非公平锁的实现上，与ReentrantLock一样，也是有一个继承AQS的内部类Sync，然后NonfairSync和FairSync都继承Sync，通过构造函数传入的布尔值决定要构造哪一种Sync实例。

读写锁比ReentrantLock多出了两个内部类：ReadLock和WriteLock， 用来定义读锁和写锁，然后在构造函数中，会构造一个读锁和一个写锁实例保存到成员变量 readerLock 和 writerLock。我们在上面的示例中使用到的 readLock() 和 writeLock() 方法就是返回这两个成员变量保存的锁实例。

我们在Sync类中可以看到下列代码：

        static final int SHARED_SHIFT   = 16;
        static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT); //每次要让共享锁+1，就应该让state加 1<<16
        static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;  //每种锁的最大重入数量
        static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

        /** Returns the number of shared holds represented in count  */
        static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
        /** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
        static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

可以看到主要是几个位移操作，通过上面的整体结构，我们知道了在读写锁内保存了读锁和写锁的两个实例。之前在ReentrantLock中，我们知道锁的状态是保存在Sync实例的state字段中的(继承自父类AQS)，现在有了读写两把锁，然而可以看到还是只有一个Sync实例，那么一个Sync实例的state是如何同时保存两把锁的状态的呢？答案就是用了位分隔：

state字段是32位的int，读写锁用state的低16位保存写锁(独占锁)的状态；高16位保存读锁(共享锁)的状态。

因此要获取独占锁当前的重入数量，就是 state & ((1 << 16) -1) (即 exclusiveCount 方法)

要获取共享锁当前的重入数量，就是 state >>> 16 (即 sharedCount 方法)

下面我们具体看写锁和读锁的实现。

写锁

看下WriteLock类中的lock和unlock方法：

        public void lock() {
            sync.acquire(1);
        }

        public void unlock() {
            sync.release(1);
        }

可以看到就是调用的独占式同步状态的获取与释放，因此真实的实现就是Sync的 tryAcquire和 tryRelease。

写锁的获取

看下tryAcquire:

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            int w = exclusiveCount(c); //获取独占锁的重入数
            if (c != 0) {
                // 当前state不为0，此时：如果写锁状态为0说明读锁此时被占用返回false；如果写锁状态不为0且写锁没有被当前线程持有返回false
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //写锁重入数溢出
                // Reentrant acquire
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            //到这里了说明state为0，尝试直接cas。writerShouldBlock是为了实现公平或非公平策略的
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

逻辑很简单，直接看注释就能理解。

写锁的释放

看下tryRelease:

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();  //非独占模式直接抛异常
            int nextc = getState() - releases;
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
            if (free) 
                setExclusiveOwnerThread(null); //如果独占模式重入数为0了，说明独占模式被释放
            setState(nextc);  //不管独占模式是否被释放，更新独占重入数
            return free;
        }

逻辑很简单，直接看注释就能理解。

读锁

类似于写锁，读锁的lock和unlock的实际实现对应Sync的 tryAcquireShared 和 tryReleaseShared方法。

读锁的获取

        protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1; //如果独占模式被占且不是当前线程持有，则获取失败
            int r = sharedCount(c);
            //如果公平策略没有要求阻塞且重入数没有到达最大值，则直接尝试CAS更新state
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                //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（浅蓝色代码），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。
                if (r == 0) {
                    firstReader = current;
                    firstReaderHoldCount = 1;
                } else if (firstReader == current) {
                    firstReaderHoldCount++;
                } else {
                    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                    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); //用来处理CAS没成功的情况，逻辑和上面的逻辑是类似的，就是加了无限循环
        }

 下面这个方法就不用细说了，和上面的处理逻辑类似，加了无限循环用来处理CAS失败的情况。

        final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
            HoldCounter rh = null;
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (exclusiveCount(c) != 0) {
                    if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                        return -1;
                    // 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)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                    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

 

        protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            //浅蓝色代码也是为了实现jdk1.6中加入的getReadHoldCount()方法，在更新当前线程的重入数。
            if (firstReader == current) {
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
                if (firstReaderHoldCount == 1)
                    firstReader = null;
                else
                    firstReaderHoldCount--;
            } else {
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    rh = readHolds.get();
                int count = rh.count;
                if (count <= 1) {
                    readHolds.remove();
                    if (count <= 0)
                        throw unmatchedUnlockException();
                }
                --rh.count;
            }
            //这里是真正的释放同步状态的逻辑，就是直接同步状态-SHARED_UNIT，然后CAS更新，没啥好说的
            for (;;) {
                int c = getState();
                int nextc = c - SHARED_UNIT;
                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;
            }
        }

 

补充内容

通过上面的源码分析，我们可以发现一个现象：

在线程持有读锁的情况下，该线程不能取得写锁(因为获取写锁的时候，如果发现当前的读锁被占用，就马上获取失败，不管读锁是不是被当前线程持有)

在线程持有写锁的情况下，该线程可以继续获取读锁（获取读锁时如果发现写锁被占用，只有写锁没有被当前线程占用的情况才会获取失败）

仔细想想，这个设计是合理的：因为当线程获取读锁的时候，可能有其他线程同时也在持有读锁，因此不能把获取读锁的线程“升级”为写锁；而对于获得写锁的线程，它一定独占了读写锁，因此可以继续让它获取读锁，当它同时获取了写锁和读锁后，还可以先释放写锁继续持有读锁，这样一个写锁就“降级”为了读锁。

综上：

一个线程要想同时持有写锁和读锁，必须先获取写锁再获取读锁；

写锁可以“降级”为读锁；

读锁不能“升级”为写锁。

总结

读写锁还是很实用的，因为一般场景下，数据的并发操作都是读多于写，在这种情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性。

在读写锁的实现方面，本来以为会比较复杂，结果看完源码的感受也是快刀切西瓜，看来AQS的设计真的很棒，在AQS的基础上构建的组件实现都很简单。