- 概述
- ReentrantReadWriteLock
- 特性
- 使用方法
- 读写锁的实现分析
- 如何使用位拆分去表示两种锁的重入状态呢？
- 如何判断读锁和写锁获取
- 写锁
- 写锁的获取
- lock方法
- tryAcquire
- getExclusiveOwnerThread
- exclusive
- setState
- 写锁的释放
- tryRelease
概述
ReentrantLock和Mutex都是一个排他锁，也就是说，同一时刻只有一个线程可以去获取这把锁
但读写锁并不完全是排他锁，同一时刻是允许多个读线程来进行访问的，读写锁实际上指的是一对锁，读锁和写锁
读锁可以被共享，但只要写锁被获取了，那么读锁和写锁都将被阻塞。
读写锁不仅可以保证写操作对读操作的可见性外，还可以简化读写交互场景，比如对于一个缓存的结构来说，缓存一般是以读服务为主，读写锁可以保证，写操作对于后续的读操作是可见的（因为写的时候不允许读，只要写完才可以读）
读写锁是在Java5之后才拥有的，在没有读写锁之前，Java采用的是等待通知机制来实现上面的操作的，即写操作对于后续的读操作是可见的，具体是当写操作开始的时候，所有晚于该写操作的读操作均会进入等待状态，只有等写操作完成并进行通知之后，所有正在等待的读操作才能继续进行，而对于写操作而言，写操作之间是使用Synchronized来进行同步的，保证了只能写操作之间是互斥的，使得读操作可以读取到正确得数据，不会出现脏读
读写锁其实也就是针对上面的场景得出的，因为使用Synchronized为重量级锁，效率会比较慢，最重要的是采用等待通知机制去让读操作进入等待状态会比较麻烦，改用读写锁去实现的话，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可，当写锁被获取到时，后续的读写操作都会被阻塞，等写锁释放了之后，后续所有的读写操作才能继续进行
ReentrantReadWriteLock
特性
- ReentrantReadWriteLock支持非公平和公平的获取锁方式，吞吐量依然是非公平优于公平，并且默认的方式是非公平
- ReentrantReadWriteLock支持可重入，当读线程获取了读锁之后，其能继续去获得读锁；当写线程获得了写锁之后，其能继续去获得写锁，也能去获得读锁（写线程能自己读，但其他线程不能读，也不能写）
- 支持锁降级，当获取了写锁、再获取读锁，之后释放了写锁之后，会自动降级为读锁
使用方法
使用的方法也比较简单，对于读写锁都是
- 创建一个ReentrantReadWriteLock
- 利用ReentrantReadWriteLock来获取读锁或者写锁
- 调用读锁或者写锁的lock方法进行上锁
- 调用读锁或者写锁的unlock方法进行解锁
读写锁的实现分析
之前学习ReentrantLock的时候认识了同步状态这个概念，同步状态就是指锁被一个线程重复获取的次数，在ReentrantLock就是state这个变量
但对于读写锁来说，不仅需要维护同步状态，还需要去维护多个读线程和一个写线程的状态（写线程只可能有一个，一旦出现写线程，其余读线程全部停止）
同步状态是一个整形变量，而一个整形变量上去维护多种状态，就需要按位切割使用这个变量，而去维护这个变量是关键所在，总的来说就是怎样使用一个变量来区分读写锁的状态，为什么不使用多个变量去记录两种锁的同步状态呢？
读写锁对于该整形变量进行了按位切割使用，高16位表示读而低16位表示写
如何使用位拆分去表示两种锁的重入状态呢？
对于写锁的低16位，只要采用与运算，与0x0000FFFF进行与运算，就可以把高16位给去掉了，然后对于重入次数只要正常加减即可
对于读锁的高16位，不能像写锁一样简单地使用与运算就可以算出，因为简单的与运算只能保留高16位，但重入的次数不能通过简单的加减来得到了，不过其实也差不多，采用的是无符号右移16位的做法，因为是一个正数，所以只要无符号右移16位就可以将高16位移去低16位，并且高16位会变成全为0，然后重入的时候再进行同样的加减即可
如何判断读锁和写锁获取
当低16位不为0的时候，即代表读锁被获取，当高16位不为0的时候，即代表写锁去获取，但去判断写锁的时候，要先去移位才可以判断
写锁
写锁的使用如下
public void test(){
ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();
writeLock.lock();
writeLock.unlock();
}从构造方法上看
可以看到，其调用的是另外一个构造方法，并且fair变量设为false，这也证明了前面提到的，默认的读写锁实现是一个非公平锁
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
可以看到
- 公平锁的实现由sync成员变量来决定
- 构造方法直接实例化了ReadLock和WriteLock
- 并且，读写锁的获取其实就是直接返回构造实例化的ReadLock和WriteLock
- 并且，ReentrantReadWriteLock里面的内部类有5哥
- ReadLock：读锁
- WriteLock：写锁
- Sync：抽象的读写锁的同步功能实现（线程安全的功能主要由Sync来保证）
- FariSync：公平的同步功能
- UnFairSync：不公平的同步功能
- 并且Sync是否公平，取决于构造方法，默认是不公平的
写锁的获取
lock方法
写锁的获取是直接调用WriteLock的lock方法
从代码上可以看到，写锁的获取直接依赖于Sync同步类来实现
再深入，发现其底层实现就是AQS，可以看到很多锁的底层实现都是AQS，下面就来看看这段代码是干什么的
public final void acquire(int arg) {
//尝试去获取锁
//如果获取锁失败就去进行入队等待
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//如果获取锁失败，并且入队成功
//将自己设为中断状态？？？
selfInterrupt();
}tryAcquire
这个方法就是去获取锁，可以看到进来
其由ReentrantReadWriteLock去实现的
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If read count nonzero or write count nonzero
* and owner is a different thread, fail.
* 2. If count would saturate, fail. (This can only
* happen if count is already nonzero.)
* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
* it is either a reentrant acquire or
* queue policy allows it. If so, update state
* and set owner.
*/
//从注释上我们可以看到三种情况
//1.如果有人获取了读锁或者有人获取了写锁,那就获取锁失败
//2.如果计数达到饱和也会停止，也就是可重入次数达到上线了
//3.其余状态都可以进行获取锁了
//获取当前线程
Thread current = Thread.currentThread();
//获取state变量，也就是获取同步状态
int c = getState();
//计算wrieteLock的同步状态
int w = exclusiveCount(c);
//如果state不为0，代表有其他线程获取读锁或者写锁
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
//如果w为0.代表有人获取了读锁，return false
//如果w不为0，但当前线程并不是已经获取了写锁的线程，return false
//以上两种情况都不能获取锁了，因为读锁有人获取了，或者没人获取读锁，但写锁的拥有者不是自己
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
//如果w不为0，且写锁的拥有者是自己，那就代表发生重入锁了
//改变writeLock的同步状态
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
//如果超过了最大值
//最大值为16左移一位并且减一(刚好6位)
//抛出异常
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
//重新设置同步状态
setState(c + acquires);
//返回true代表加锁成功
return true;
}
//如果状态栏为0
//判断写线程是否需要阻塞
//如果不需要阻塞，使用CAS来重新设置同步状态
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
//不需要阻塞且CAS重新设置同步状态成功
//就将当前写锁的拥有线程设为自己！！！
//相当于贴上自己的标签
setExclusiveOwnerThread(current);
//返回true
return true;
}整个加锁的过程很简单
- 获取当前线程
- 获取当前锁的同步状态
- 如果同步状态不为0，代表写锁或者读锁被获取了
- 判断是不是被人获取了写锁
- 如果没人获取写锁，那就代表读锁被获取了，返回false，加锁失败
- 如果有人获取写锁，判断获取写锁的是不是当前线程，如果不是，也返回false，代表加锁失败（这里是比较巧妙的，重要的是判断当前线程有没有获取写锁，如果获取了，那就代表是重入情况而已，如果其他线程获取了写锁，更加不需要考虑了）
- 如果当前线程已经获取了写锁，那就代表是可重入情况
- 修改写锁的同步状态
- 如果修改写锁之后的同步状态没有大于最大值（2^6-1）
- 加锁成功
- 如果同步状态为0，代表没有线程获取锁，但不排除当前会存在竞争情况
- 判断写操作是否需要进行阻塞
- 如果不需要进行阻塞，使用CAS去更换写锁的状态量，此时如果发生竞争，谁CAS成功就谁获取锁成功
- CAS更换同步状态量成功后，就将写锁的拥有者改为自己，相当于贴上自己的标签！！！
getExclusiveOwnerThread
可以看到，这个变量来自AbstractOwnableSynchronizer的，专门用来存储不需要进行同步的线程
exclusive
从上面代码可以看到，这个方法是用来重新计算写锁的状态量的
因为写锁规定了，重入次数不能超过2 ^ 6，最大值就是2 ^ 6-1，而且，写锁的同步状态量是位于前16位的，所以要进行与运算来取出前6位
这个运算也很简单，直接跟11111进行与运算即可
setState
这一步没什么好说的，就是对状态量进行+1操作，因为写锁是低16位的，直接加1即可
写锁的释放
对应的就是写锁的unLock方法，其实写锁的释放方法跟ReentrantLock基本一致，每次释放均会减少写状态，当写状态为0时表示写锁已经被释放了，从而等待的所有读写线程才能够继续访问读写锁，实现了前面写线程的修改对于后面的读线程是可见的
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}关键的方法在于tryRelease
tryRelease
源码如下
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//对状态量进行减一
int nextc = getState() - releases;
//如果状态量的前5位减为0了
//代表全部写锁释放完了
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
//将写锁的拥有者改回为Null
setExclusiveOwnerThread(null);
//重新修改状态量
setState(nextc);
//返回释放结果
return free;
}步骤如下
- 对状态量进行减一
- 取前5位判断是不是减为0了
- 如果减为0，代表写锁全部释放了，包括重入的
- 将写锁的标志拥有位改为Null，让其他线程可以获取写锁
- 重新修改状态量（只有重新修改了状态量，其他锁才能获取写锁，所以这里并不会有并发问题）
- 返回释放结果
