JUC之ReadWriteLockReentrantReadWriteLock读写锁
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JUC之ReadWriteLockReentrantReadWriteLock读写锁相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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，非公平锁吞吐量由于公平锁。
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。
图解重要函数及对象关系
AQS图解
读写锁的加锁解锁操作
从图中可见操作最终都是调用ReentrantReadWriteLock类的内部类Sync提供的方法。
AQS无锁状态
AQS写锁无等待状态
AQS写锁重入状态
AQS写锁等待状态
AQS读锁无等待状态（首节点）
AQS读锁重入状态（首节点）
AQS读锁无等待状态（非首节点）
AQS读锁等待状态（非首节点）
读锁获取添加等待队列 写锁获取添加等待队列
参考：https://segmentfault.com/a/1190000015768003
以上是关于JUC之ReadWriteLockReentrantReadWriteLock读写锁的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章