共享锁（S锁）和排它锁（X锁）

Posted 2020-10-31 THISISPAN

共享锁【S锁】
又称读锁，若事务T对数据对象A加上S锁，则事务T可以读A但不能修改A，其他事务只能再对A加S锁，而不能加X锁，直到T释放A上的S锁。这保证了其他事务可以读A，但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改。

排他锁【X锁】
又称写锁。若事务T对数据对象A加上X锁，事务T可以读A也可以修改A，其他事务不能再对A加任何锁，直到T释放A上的锁。这保证了其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A。

 

1、什么是共享锁和排它锁

 

     共享锁就是允许多个线程同时获取一个锁，一个锁可以同时被多个线程拥有。

     排它锁，也称作独占锁，一个锁在某一时刻只能被一个线程占有，其它线程必须等待锁被释放之后才可能获取到锁。

 

2、排它锁和共享锁实例

 

     ReentrantLock就是一种排它锁。CountDownLatch是一种共享锁。这两类都是单纯的一类，即，要么是排它锁，要么是共享锁。

   ReentrantReadWriteLock是同时包含排它锁和共享锁特性的一种锁，这里主要以ReentrantReadWriteLock为例来进行分析学习。我们使用ReentrantReadWriteLock的写锁时，使用的便是排它锁的特性；使用ReentrantReadWriteLock的读锁时，使用的便是共享锁的特性。

 

3、锁的等待队列组成

 

 ReentrantReadWriteLock有一个读锁(ReadLock)和一个写锁(WriteLock)属性，分别代表可重入读写锁的读锁和写锁。有一个Sync属性来表示这个锁上的等待队列。ReadLock和WriteLock各自也分别有一个Sync属性表示在这个锁上的队列

 

通过构造函数来看，

    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {

        sync = (fair)? new FairSync() : new NonfairSync();

        readerLock = new ReadLock(this);

        writerLock = new WriteLock(this);

    }

 

在创建读锁和写锁对象的时候，会把这个可重入的读写锁上的Sync属性传递过去。

protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {

            sync = lock.sync;

        }

protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {

            sync = lock.sync;

        }

 

所以，最终的效果是读锁和写锁使用的是同一个线程等待队列。这个队列就是通过我们在前面介绍过的AbstractQueuedSynchronizer实现的。

 

 

4、锁的状态

    

既然读锁和写锁使用的是同一个等待队列，那么这里要如何区分一个锁的读状态（有多少个线程正在读这个锁）和写状态（是否被加了写锁，哪个线程正在写这个锁）。

 

首先每个锁都有一个exclusiveOwnerThread属性，这是继承自AbstractQueuedSynchronizer，来表示当前拥有这个锁的线程。那么，剩下的主要问题就是确定，有多少个线程正在读这个锁，以及是否加了写锁。

 

这里可以通过线程获取锁时执行的逻辑来看，下面是线程获取读锁时会执行的一部分代码。

 

  final boolean tryReadLock() {

            Thread current = Thread.currentThread();

            for (;;) {

                int c = getState();

                if (exclusiveCount(c) != 0 &&

                    getExclusiveOwnerThread() != current)

                    return false ;

                if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)

                    throw new Error("Maximum lock count exceeded" );

                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

                    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;

                    if (rh == null || rh.tid != current.getId())

                        cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();

                    rh.count++;

                    return true ;

                }

            }

        }

 

注意这个函数的调用exclusiveCount(c) ，用来计算这个锁当前的写加锁次数（同一个进程多次进入会累加）。代码如下

 

/** 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; }

 

相关常量的定义如下

 

static final int SHARED_SHIFT   = 16;

 

static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; 

 

如果从二进制来看EXCLUSIVE_MASK的表示，这个值的低16位全是1，而高16位则全是0，所以exclusiveCount是把state的低16位取出来，表示当前这个锁的写锁加锁次数。

再来看sharedCount，取出了state的高16位，用来表示这个锁的读锁加锁次数。所以，这里是用state的高16位和低16位来分别表示这个锁上的读锁和写锁的加锁次数。

 

现在再回头来看tryReadLock实现，首先检查这个锁上是否被加了写锁，同时检查加写锁的是不是当前线程。如果不是被当前线程加了写锁，那么试图加读锁就失败了。如果没有被加写锁，或者是被当前线程加了写锁，那么就把读锁加锁次数加1，通过compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)来实现

SHARED_UNIT的定义如下，刚好实现了高16位的加1操作。

static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);

 

 

 

5、线程阻塞和唤醒的时机

 

线程的阻塞和访问其他锁的时机相似，在线程视图获取锁，但这个锁又被其它线程占领无法获取成功时，线程就会进入这个锁对象的等待队列中，并且线程被阻塞，等待前面线程释放锁时被唤醒。

 

但因为加读锁和加写锁进入等待队列时存在一定的区别，加读锁时，final Node node = addWaiter(Node.SHARED);节点的nextWaiter指向一个共享节点，表明当前这个线程是处于共享状态进入等待队列。

 

加写锁时如下，

public final void acquire (int arg) {

        if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

            selfInterrupt();

    }

线程是处于排它状态进入等待队列的。

 

 

在线程的阻塞上，读锁和写锁的时机相似，但在线程的唤醒上，读锁和写锁则存在较大的差别。

 

读锁通过AbstractQueuedSynchronizer的doAcquireShared来完成获取锁的动作。

  private void doAcquireShared( int arg) {

        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

        try {

            boolean interrupted = false;

            for (;;) {

                final Node p = node.predecessor();

                if (p == head) {

                    int r = tryAcquireShared(arg);

                    if (r >= 0) {

                        setHeadAndPropagate(node, r);

                        p.next = null ; // help GC

                        if (interrupted)

                            selfInterrupt();

                        return ;

                    }

                }

                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

                    parkAndCheckInterrupt())

                    interrupted = true ;

            }

        } catch (RuntimeException ex) {

            cancelAcquire(node);

            throw ex;

        }

    }

在tryAcquireShared获取读锁成功后（返回正数表示获取成功），有一个setHeadAndPropagate的函数调用。

 

写锁通过AbstractQueuedSynchronizer的acquire来实现锁的获取动作。

  public final void acquire( int arg) {

        if (!tryAcquire(arg) &&

            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))

            selfInterrupt();

    }

如果tryAcquire获取成功则直接返回，否则把线程加入到锁的等待队列中。和一般意义上的ReentrantLock的原理一样。

 

所以在加锁上，主要的差别在于这个setHeadAndPropagate方法，其代码如下

 

 

private void setHeadAndPropagate (Node node, int propagate) {

        Node h = head; // Record old head for check below

        setHead(node);

        /*

         * Try to signal next queued node if:

         * Propagation was indicated by caller,

         * or was recorded (as h.waitStatus) by a previous operation

         * (note: this uses sign-check of waitStatus because

         * PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)

         * and

         * The next node is waiting in shared mode,

         * or we don‘t know, because it appears null

         *

         * The conservatism in both of these checks may cause

         * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple

         * racing acquires/releases, so most need signals now or soon

         * anyway.

         */

        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {

            Node s = node.next;

            if (s == null || s.isShared())

                doReleaseShared();

        }

    }

 

主要操作是把这个节点设为头节点（成为头节点，则表示不在等待队列中，因为获取锁成功了），同时释放锁(doReleaseShared)。

 

下面来看doReleaseShared的实现

 

  private void doReleaseShared() {

        /*

         * Ensure that a release propagates, even if there are other

         * in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual

         * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs

         * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to

         * ensure that upon release, propagation continues.

         * Additionally, we must loop in case a new node is added

         * while we are doing this. Also, unlike other uses of

         * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status

         * fails, if so rechecking.

         */

        for (;;) {

            Node h = head;

            if (h != null && h != tail) {

                int ws = h.waitStatus;

                if (ws == Node.SIGNAL) {

                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))

                        continue ; // loop to recheck cases

                    unparkSuccessor(h);

                }

                else if (ws == 0 &&

                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))

                    continue ; // loop on failed CAS

            }

            if (h == head) // loop if head changed

                break ;

        }

    }

 

把头节点的waitStatus这只为0或者Node.PROPAGATE，并且唤醒下一个线程，然后就结束了。

 

总结一下，就是一个线程在获取读锁后，会唤醒锁的等待队列中的第一个线程。如果这个被唤醒的线程是在获取读锁时被阻塞的，那么被唤醒后，就会在for循环中，又执行到setHeadAndPropagate，这样就实现了读锁获取时的传递唤醒。这种传递在遇到一个因为获取写锁被阻塞的线程节点时被终止。

 

下面通过代码来理解这种等待和线程唤醒顺序。

 

 

package lynn.lock;

 

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

 

public class TestThread extends Thread {

    private ReentrantReadWriteLock lock;

    private String threadName;

    private boolean isWriter ;

 

    public TestThread(ReentrantReadWriteLock lock, String name, boolean isWriter) {

        this.lock = lock;

        this.threadName = name;

        this.isWriter = isWriter;

    }

 

    @Override

    public void run() {

        while (true ) {

            try {

                if (isWriter ) {

                    lock.writeLock().lock();

                } else {

                    lock.readLock().lock();

                }

                if (isWriter ) {

                    Thread. sleep(3000);

                    System. out.println("----------------------------" );

                }

                System. out.println(System.currentTimeMillis() + ":" + threadName );

                if (isWriter ) {

                    Thread. sleep(3000);

                    System. out.println("-----------------------------" );

                }

            } catch (Exception e) {

                e.printStackTrace();

            } finally {

                if (isWriter ) {

                    lock.writeLock().unlock();

                } else {

                    lock.readLock().unlock();

                }

            }

            break;

        }

    }

 

}

 

 

TestThread是一个自定义的线程类，在生成线程的时候，需要传递一个可重入的读写锁对象进去，线程在执行时会先加锁，然后进行内容输出，然后释放锁。如果传递的是写锁，那线程在输出结果前后会先沉睡3秒，便于区分输出的结果时间。

 

package lynn.lock;

 

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

 

 

public class Main {

 

    public static void blockByWriteLock() {

        ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

        lock.writeLock().lock();

 

        TestThread[] threads = new TestThread[10];

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            boolean isWriter = (i + 1) % 4 == 0 ? true : false;

            TestThread thread = new TestThread(lock, "thread-" + (i + 1), isWriter);

            threads[i] = thread;

        }

        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {

            threads[i].start();

        }

        System. out.println(System.currentTimeMillis() + ": block by write lock");

        try {

            Thread. sleep(3000);

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

        lock.writeLock().unlock();

    }

 

    public static void main(String[] args) {

        blockByWriteLock();

    }

}

 

在Main中构造了10个线程，由于这个锁一开始是被主线程拥有，并且是在排它状态下加锁的，所以我们构造的10个线程，在一开始执行便是按照其编号从小到大在等待队列中（1到10）。然后主线程打印结果，等待3秒后释放锁。由于前3个线程，编号1到3是处于共享状态阻塞的，而第4个线程是处于排它状态阻塞，所以，按照上面的唤醒顺序，唤醒传递到第4个线程时就结束。

 

依次类推，理论上的打印顺序是 ：主线程 [1,2,3]  4  [5,6,7] 8 [9,10]

 

从下面的执行结果来看，也是符合我们的预期的。

     

6、读线程之间的唤醒

     

     如果一个线程在共享模式下获取了锁状态，这个时候，它是否要唤醒其它在共享模式下等待在该锁上的线程？

 

     由于多个线程可以同时获取共享锁而不相互影响，所以，当一个线程在共享状态下获取了锁之后，理论上是可以唤醒其它在共享状态下等待该锁的线程。但如果这个时候，在这个等待队列中，既有共享状态的线程，同时又有排它状态的线程，这个时候又该如何唤醒？

 

     实际上对于锁来说，在共享状态下，一个线程无论是获取还是释放锁的时候，都会试着去唤醒下一个等待在这个锁上的节点（通过上面的doAcquireShared代码能看出）。如果下一个线程也是处于共享状态等待在锁上，那么这个线程就会被唤醒，然后接着试着去唤醒下一个等待在这个锁上的线程，这种唤醒动作会一直持续下去，直到遇到一个在排它状态下阻塞在这个锁上的线程，或者等待队列全部被释放为止。

     因为线程是在一个FIFO的等待队列中，所以，这这样一个一个往后传递，就能保证唤醒被传递下去。