java 读写锁具体使用场景

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cnolnic 2024-09-29 23:04:31

文章标签 java 读写锁具体使用场景 java 学习笔记读锁 文章分类 Java 后端开发

一、用例

二、读写锁的核心思想

三、写锁的操作

3.1 写锁加锁-acquire

3.2 写锁-释放锁操作

四、读锁的操作

4.1 读锁的加锁操作

4.2 加锁-扔到队列准备阻塞操作

一、用例

将原来的锁，分割为两把锁：读锁、写锁。适用于读多写少的场景，读锁可以并发，写锁与其他锁互斥。写写互斥、写读互斥、读读兼容。

单个线程获取写锁后，再次获取读锁，可以拿到。（写读可重入）

单个线程获取读锁后，再次获取写锁，拿不到。（读写不可重入）

public class ThreadDemo {
    static volatile int a;

    public static void readA() {
        System.out.println("拿到读锁"+a);
    }

    public static void writeA() {
        System.out.println("拿到写锁");
        a++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();
        Thread readThread1 = new Thread(() -> {
            readLock.lock();
            try {
                readA();
            } finally {
                readLock.unlock();
            }

        });
        Thread readThread2 = new Thread(() -> {
            readLock.lock();
            try {
                readA();
            } finally {
                readLock.unlock();
            }
        });

        Thread writeThread = new Thread(() -> {
            writeLock.lock();
            try {
                writeA();
            } finally {
                writeLock.unlock();
            }
        });

        readThread1.start();
        readThread2.start();
        writeThread.start();
    }
}

二、读写锁的核心思想

ReentrantReadWriteLock还是基于AQS实现的。很多功能的实现和ReentrantLock类似

还是基于AQS的state来确定当前线程是否拿到锁资源

state表示读锁：将state的高16位作为读锁的标识

state表示写锁：将state的低16位作为写锁的标识

锁重入问题：

写锁重入怎么玩：因为写操作和其他操作是互斥的，代表同一时间，只有一个线程持有着写锁，只要锁重入，就对低位+1即可。而且锁重入的限制，从原来的2^31 - 1，变为了2 ^ 16 -1。变短了~~
读锁重入怎么玩：读锁的重入不能仿照写锁的方式，因为写锁属于互斥锁，同一时间只会有一个线程持有写锁，但是读锁是共享锁，同一时间会有多个线程持有读锁。所以每个获取到读锁的线程，记录锁重入的方式都是基于自己的ThreadLocal存储锁重入次数。
读锁重入的时候就不操作state了？不对，每次锁重入还要修改state，只是记录当前线程锁重入的次数，需要基于ThreadLocal记录
00000000 00000000 00000000 00000000 ： state
写锁：
00000000 00000000 00000000 00000001
写锁：
00000000 00000000 00000000 00000010
A读锁：拿不到，排队
00000000 00000000 00000000 00000010
写锁全部释放（唤醒）
00000000 00000000 00000000 00000000
A读锁：
00000000 00000001 00000000 00000000
B读锁：
00000000 00000010 00000000 00000000
B再次读锁：
00000000 00000011 00000000 00000000
每个读操作的线程，在获取读锁时，都需要开辟一个ThreadLocal。读写锁为了优化这个事情，做了两手操作：
第一个拿到读锁的线程，不用ThreadLocal记录重入次数，在读写锁内有有一个firstRead记录重入次数
还记录了最后一个拿到读锁的线程的重入次数，交给cachedHoldCounter属性标识，可以避免频繁的在锁重入时，从TL中获取

三、写锁的操作

3.1 写锁加锁-acquire

public final void acquire(int arg) {
    // 尝试获取锁资源（看一下，能否以CAS的方式将state 从0 ~ 1，改成功，拿锁成功）
    // 成功走人
    // 不成功执行下面方法
    if (!tryAcquire(arg) &&
        // addWaiter：将当前没按到锁资源的，封装成Node，排到AQS里
        // acquireQueued：当前排队的能否竞争锁资源，不能挂起线程阻塞
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

因为都是AQS的实现，主要看tryAcquire

// state，高16：读，低16：写
00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000001 00000000 00000000 - SHARED_UNIT

00000000 00000000 11111111 11111111 - MAX_COUNT

00000000 00000000 11111111 11111111 - EXCLUSIVE_MASK
&
00000000 00000000 00000000 00000001 

static final int SHARED_SHIFT   = 16;
static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

// 只拿到表示读锁的高16位。
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 只拿到表示写锁的低16位。
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }


// 读写锁的写锁，获取流程
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 拿到当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 拿到state
    int c = getState();
    // 拿到了写锁的低16位标识w
    int w = exclusiveCount(c);
    // c != 0：要么有读操作拿着锁，要么有写操作拿着锁
    if (c != 0) {
        // 如果w == 0，代表没有写锁，拿不到！拜拜！
        // 如果w != 0，代表有写锁，看一下拿占用写锁是不是当前线程，如果不是，拿不到！拜拜！
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        // 到这，说明肯定是写锁，并且是当前线程持有
        // 判断对低位 + 1，是否会超过MAX_COUNT，超过抛Error
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 如果没超过锁重入次数， + 1，返回true，拿到锁资源。
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    // 到这，说明c == 0
    // 读写锁也分为公平锁和非公平锁
    // 公平：看下排队不，排队就不抢了
    // 走hasQueuedPredecessors方法，有排队的返回true，没排队的返回false
    // 非公平：直接抢！
    // 方法实现直接返回false
    if (writerShouldBlock() ||
        // 以CAS的方式，将state从0修改为 1
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        // 要么不让抢，要么CAS操作失败，返回false
        return false;
    // 将当前持有互斥锁的线程，设置为自己
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

剩下的addWaiter和acquireQueued和ReentrantLock看的一样，都是AQS自身提供的方法

3.2 写锁-释放锁操作

读写锁的释放操作，跟ReentrantLock一致，只是需要单独获取低16位，判断是否为0，为0就释放成功

// 写锁的释放锁
public final boolean release(int arg) {
    // 只有tryRealse是读写锁重新实现的方法，其他的和ReentrantLock一致
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

// 读写锁的真正释放
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 判断释放锁的线程是不是持有锁的线程
    if (!isHeldExclusively())
        // 不是抛异常
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 对state - 1
    int nextc = getState() - releases;
    // 拿着next从获取低16位的值，判断是否为0
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    // 返回true
    if (free)
        // 将持有互斥锁的线程信息置位null
        setExclusiveOwnerThread(null);
    // 将-1之后的nextc复制给state
    setState(nextc);
    return free;
}

四、读锁的操作

4.1 读锁的加锁操作

// 读锁加锁操作
public final void acquireShared(int arg) {
    // tryAcquireShared，尝试获取锁资源，获取到返回1，没获取到返回-1
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        // doAcquireShared 前面没拿到锁，这边需要排队~
        doAcquireShared(arg);
}

// tryAcquireShared方法
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    // 获取当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 拿到state
    int c = getState();
    // 那写锁标识，如果 !=0，代表有写锁
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        // 如果持有写锁的不是当前线程，排队去！
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        // 排队！
        return -1;
    // 没有写锁！
    // 获取读锁信息
    int r = sharedCount(c);
    // 公平锁： 有人排队，返回true，直接拜拜，没人排队，返回false
    // 非公平锁：正常的逻辑是非公平直接抢，因为是读锁，每次抢占只要CAS成功，必然成功
    // 这就会出现问题，写操作无法在读锁的情况抢占资源，导致写线程饥饿，一致阻塞…………
    // 非公平锁会查看next是否是写锁的，如果是，返回true，如果不是返回false
    if (!readerShouldBlock() &&
        // 查看读锁是否已经达到了最大限制
        r < MAX_COUNT &&
        // 以CAS的方式，对state的高16位+1
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        // 拿到锁资源成功！！！
        if (r == 0) {
            // 第一个拿到锁资源的线程，用first存储
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {
            // 我是锁重入，我就是第一个拿到读锁的线程，直接对firstReaderHoldCount++记录重入的次数
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            // 不是第一个拿到锁资源的
            // 先拿到cachedHoldCounter，最后一个线程的重入次数
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            // rh == null： 我是第二个拿到读锁的！
            // 或者发现之前有最后一个来的，但是不我，将我设置为最后一个。
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                // 获取自己的重入次数，并赋值给cachedHoldCounter
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            // 之前拿过，现在如果为0，赋值给TL
            else if (rh.count == 0)
                readHolds.set(rh);
            // 重入次数+1，
            // 第一个：可能是第一次拿
            // 第二个：可能是重入操作
            rh.count++;
        }
        return 1;
    }
    return fullTryAcquireShared(current);
}

// 通过tryAcquireShared没拿到锁资源，也没返回-1，就走这
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
    HoldCounter rh = null;
    for (;;) {
        // 拿state
        int c = getState();
        // 现在有互斥锁，不是自己，拜拜！
        if (exclusiveCount(c) != 0) {
            if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
   
        // 公平：有排队的，进入逻辑。   没排队的，过！
        // 非公平：head的next是写不，是，进入逻辑。   如果不是，过！
        } else if (readerShouldBlock()) {
            // 这里代码特别乱，因为这里的代码为了处理JDK1.5的内存泄漏问题，修改过~
            // 这个逻辑里不会让你拿到锁，做被阻塞前的准备
            if (firstReader == current) {
                // 什么都不做
            } else {
                if (rh == null) {
                    // 获取最后一个拿到读锁资源的
                    rh = cachedHoldCounter;
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
                        // 拿到我自己的记录重入次数的。
                        rh = readHolds.get();
                        // 如果我的次数是0，绝对不是重入操作！
                        if (rh.count == 0)
                            // 将我的TL中的值移除掉，不移除会造成内存泄漏
                            readHolds.remove();
                    }
                }
                // 如果我的次数是0，绝对不是重入操作！
                if (rh.count == 0)
                    // 返回-1，等待阻塞吧！
                    return -1;
            }
        }
        // 超过读锁的最大值了没？
        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // 到这，就CAS竞争锁资源
        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
            // 跟tryAcquireShared一模一样
            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; 
            }
            return 1;
        }
    }
}

4.2 加锁-扔到队列准备阻塞操作

// 没拿到锁，准备挂起
private void doAcquireShared(int arg) {
    // 将当前线程封装为Node，当前Node为共享锁，并添加到队列的模式
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            // 获取上一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                // 如果我的上一个是head，尝试再次获取锁资源
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    // 如果r大于等于0，代表获取锁资源成功
                    // 唤醒AQS中我后面的要获取读锁的线程（SHARED模式的Node）
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; 
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            // 能否挂起当前线程，需要保证我前面Node的状态为-1，才能执行后面操作
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                //LockSupport.park挂起~~
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

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