前言


在看完 ReentrantLock 之后,在高并发场景下 ReentrantLock 已经足够使用,但是因为 ReentrantLock 是独占锁,同时只有一个线程可以获取该锁,而很多应用场景都是读多写少,这时候使用 ReentrantLock 就不太合适了。读多写少的场景该如何使用?在 JUC 包下同样提供了读写锁 ReentrantReadWriteLock 来应对读多写少的场景。

介绍

支持类似 ReentrantLock 语义的 ReadWriteLock 的实现。

具有以下属性:

  • 获取顺序

此类不会将读取优先或写入优先强加给锁访问的排序。但是,它确实支持可选的公平 策略。

支持公平模式非公平模式,默认为非公平模式

  • 重入

允许 reader 和 writer 按照 ReentrantLock 的样式重新获取读锁或写锁。在写线程释放持有的所有写锁后,reader 才允许重入使用它们。此外,writer 可以获取读锁,但反过来则不成立。

  • 锁降级

重入还允许从写锁降级为读锁,通过先获取写锁,然后获取读锁,最后释放写锁的方式降级。但是,从读锁升级到写锁是不可能的

  • 锁获取的中断

读锁和写锁都支持锁获取期间的中断。

  • Condition 支持

写锁提供了一个 Condition 实现,对于写锁来说,该实现的方式与 ReentrantLock.newCondition() 提供的 Condition 实现对 ReentrantLock 所做的行为相同。当然,此 Condition 只能用于写锁。读锁不支持 Condition

  • 监测

此类支持一些确定是保持锁还是争用锁的方法。这些方法设计用于监视系统状态,而不是同步控制。

锁最多支持 65535 个递归写锁和 65535 个读锁

以上为 Java Api 官方文档[1] 的解释,总结一下内容如下:

  1. 支持非公平和公平模式,默认为非公平模式。
  2. 支持重入,读锁可以重入获取读锁,写锁可以重入获取写锁,写锁可以获取读锁,读锁不可以获取写锁。
  3. 锁可以降级,从写锁降级为读锁,但是不可能从读锁升级到写锁。

基本使用

class CachedData {
Object data;
volatile boolean cacheValid;
final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

void processCachedData() {
// 读锁加锁
rwl.readLock().lock();
if (!cacheValid) {
// 获取写锁之前必须释放读锁
rwl.readLock().unlock();
// 写锁加锁
rwl.writeLock().lock();
try {
// 重新检查状态,因为另一个线程可能
// 在执行操作之前获取了写锁定并更改了状态
if (!cacheValid) {
data = ...
cacheValid = true;
}
// 通过在释放写锁之前获取读锁来降级
rwl.readLock().lock();
} finally {
rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
}
}

try {
use(data);
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}

上面只是官方文档提供的一个 demo。

问题疑问

  1. 在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表什么?
  2. 线程获取锁的流程是怎么样的?
  3. 读锁和写锁的可重入性是如何实现的?
  4. 当前线程获取锁失败,被阻塞的后续操作是什么?
  5. 锁降级是怎么降级的?

源码分析

代码结构

ReentrantReadWriteLock-uml-SQCZqu

public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -6992448646407690164L;
/** 提供读锁的内部类 */
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
/** 提供写锁的内部类 */
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
/** 执行所有同步机制 */
final Sync sync;

}

state

之前在阅读 ReentrantLock 源码的时候 state 代表了锁的状态,0 表示没有线程持有锁,大于 1 表示已经有线程持有锁及其重入的次数。而在 ReentrantReadWriteLock 是读写锁,那就需要保存读锁写锁两种状态的,那是怎么样表示的呢?

在 ReentrantReadWriteLock 中同样存在一个 Sync 继承了 AbstractQueuedSynchronizer,也是 FairSync、NonfairSync 的父类。内部定义了 state 的一些操作。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;
// 移位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
// 单位
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
// 最大数量 1 << 16 -> 65536
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
// 计算独占数使用 1 << 16 -> 65536
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

// 返回共享保留数
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 返回独占保留数
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

}

在 AQS 中定义 state 为 int 类型,而在 ReentrantReadWriteLock 中,将 state 的 高 16 位和低 16 位拆开表示读写锁。其中高 16 位表示读锁,低 16 位表示写锁。分别使用 sharedCount 和 exclusiveCount 方法获取读锁和写锁的当前状态。

ReentrantReadWriteLock-state-JusW2l

下面分别从读锁和写锁的角度来看如何进行加锁和释放锁的?

ReadLock.lock


public static class ReadLock
implements Lock, java.io.Serializable {
/**
* 获取读取锁。
* 如果写锁没有被另一个线程持有,则获取读锁并立即返回。
* 如果写锁由另一个线程持有,则出于线程调度目的,
* 当前线程将被禁用,并处于休眠状态,直到获取读锁为止。
*/
public void lock() {
// 调用 AQS 获取共享资源
sync.acquireShared(1);
}
}

ReentrantReadWriteLock-AQS-Share-gTrD2e

获取共享资源,这块使用的 AQS 的逻辑,其中 tryAcquireShared(arg) 是在 ReentrantReadWriteLock.Sync 中实现的。并且 AQS 中有规定,tryAcquireShared 分为三种返回值:

  1. 小于 0: 表示失败;
  2. 等于 0: 表示共享模式获取资源成功,但后续的节点不能以共享模式获取成功;
  3. 大于 0: 表示共享模式获取资源成功,后续节点在共享模式获取也可能会成功,在这种情况下,后续等待线程必须检查可用性。
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
protected final int tryAcquireShared(int unused) {

Thread current = Thread.currentThread();
// 获取 state 值
int c = getState();
// 独占计数不为 0 且 不是当前线程, 说明已经有写锁
if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 获取共享计数(读锁计数)
int r = sharedCount(c);
// 不需要阻塞读锁 && 共享计数小于最大值 && state 更新成功
if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (r == 0) {
// 当前读锁计数为 0
// firstReader是获得读锁的第一个线程
// firstReaderHoldCount是firstReader的保持计数
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
// 读锁重入
firstReaderHoldCount++;
} else {
// 当前缓存计数
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 当前线程没有计数 或者 没有创建计数器
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
// 创建计数,基于 ThreadLocal
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 计数累加
rh.count++;
}
return 1;
}
// 完整地获取共享锁方法,作为tryAcquireShared方法因CAS获取锁失败后的处理。
// 因为前面可能失败 CAS 失败, 队列策略失败等原因。
return fullTryAcquireShared(current);
}
}
  1. 先获取 state ,通过 exclusiveCount 方法获取到写锁的计数值,不为 0 且 不是当前线程, 说明已经有写锁。返回 -1 失败。
  2. 通过 sharedCount 获取读锁计数,判断是否需要阻塞以及是否超过上限后,使用 CAS 更新 读锁计数。
  3. 设置或更新 firstReader、firstReaderHoldCount、 cachedHoldCounter。
  4. 最后会进行完整的获取共享锁方法,作为之前获取失败的后续处理方法。

firstReader:firstReader是获得读锁的第一个线程;
firstReaderHoldCount:firstReaderHoldCount是firstReader的保持计数。即获得读锁的第一个线程的重入次数。
cachedHoldCounter:最后一个获得读锁的线程获得读锁的重入次数。

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {

HoldCounter rh = null;
// 无限循环
for (;;) {
int c = getState();
// 是否有写锁
if (exclusiveCount(c) != 0) {
// 有写锁,但是不是当前线程,直接返回失败
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
} else if (readerShouldBlock()) {
// 需要阻塞
// 没有写锁,确保没有重新获取读锁
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else {
// 当前线程的读锁计数 ThreadLocal 中
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
// 计数结束,remove 掉
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
// 为 0 直接失败
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
// 到达上限 抛出异常
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// CAS 设置读锁
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;
}
}
}
  1. 首先会一直循环
  2. 有写锁,但是不是当前线程,直接返回失败。但是,有写锁,如果是当前线程,是会继续执行的。
  3. 设置或更新 firstReader、firstReaderHoldCount、 cachedHoldCounter。

当存在写锁(独占锁)时,方法会返回 -1 失败,后续会调用 AQS 的 doAcquireShared 方法,循环获取资源。doAcquireShared 方法会不断循环,尝试获取读锁,一旦获取到读锁,当前节点会立即唤醒后续节点,后续节点开始尝试获取读锁,依次传播。

ReentrantReadWriteLock-1-rl0DjC

ReadLock.unlock

public static class ReadLock 
implements Lock, java.io.Serializable {
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
}

调用 AQS 的 releaseShared 释放共享资源方法。

ReadLock-unlock-LE7vUH

其中 tryReleaseShared 有 ReadLock 实现。

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current) {
// 第一个线程是当前线程
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
} else {
// 第一个线程不是当前线程,更新自己的 ThreadLocal 里面的计数
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;
}
// 循环
for (;;) {
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
// 使用 CAS 更新 state
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 但是如果现在读和写锁都已释放,
// 它可能允许等待的写程序继续进行。
return nextc == 0;
}
}
  1. 如果是第一个线程,直接更新技术,不是则更新自己 ThreadLocal 里面保存的计数。
  2. 循环,使用 CAS 更新 state 的值。
  3. 如果 state 更新后的值为 0,说明没有线程持有读锁或者写锁了。
  4. 当 state 为 0,此时会调用 AQS 的 doReleaseShared 方法。此时队列如果有写锁,那就会被写锁获取的锁。

WriteLock.lock

public static class WriteLock 
implements Lock, java.io.Serializable {
/**
* 获取写入锁。
* 如果没有其他线程持有读锁或写锁,会直接返回,并将写锁计数设置为1。
* 如果当前线程持有写锁,则将写锁计数 +1,然后返回。
* 如果锁正在被其他线程持有,则当前线程用于线程调度目的,
* 当前线程将被禁用,并处于休眠状态,直到获取读锁并将写锁计数设置为1。
*/
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
}

WriteLock.lock-wBuvUA

tryAcquire 方法由 Write 自己实现,方式和 ReentrantLock 类似。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

// 如果读锁计数为非零或写锁计数为非零,并且所有者是另一个线程,则失败。
// 如果计数饱和,则失败。只有在count不为零时,才可能发生这种情况。
// 否则,如果该线程是可重入获取或队列策略允许的话,则有资格进行锁定。
// 如果是这样,请更新状态并设置所有者。
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 写锁计数
int w = exclusiveCount(c);
// c != 0 说明有有线程获取锁了
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
// 判断是不是自己,不是自己 返回 false
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
// 判断有没有超过上限
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 重入
setState(c + acquires);
return true;
}
// 不需要阻塞,或者 CAS 更新 state 失败
if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
  1. 获取 state , 如果 state 不为 0 则判断是否为当前线程重入获取。
  2. state 为 0 ,则当前线程 CAS 更新 state,获取锁。
  3. 更新成功之后绑定当前线程。
  4. 如果失败会继续调用 AQS 的 acquireQueued,将当前阻塞放在 AQS 队列中。AQS 会不断循环,等待上一个锁释放后,尝试获得锁。

ReentrantReadWriteLock-2-mQAgGL

WriteLock.unlock

public static class WriteLock 
implements Lock, java.io.Serializable {
// 如果当前线程是此锁的持有者,则保持计数递减。
// 如果保持现在的计数为零,则解除锁定。
// 如果当前线程不是此锁的持有者则IllegalMonitorStateException异常。
public void unlock() {
sync.release(1);
}
}

Write-unlock-bwHAcw

同样这块代码是使用 AQS 的逻辑,tryRelease 部分由 WriteLock 自己实现。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
  1. 如果是当前线程重入,扣减重入次数。
  2. 扣减后如果为 0,则设置锁持有线程为 null,更新 state 值。AQS 会唤醒后续节点获取锁。

总结

问题

Q:在 ReentrantReadWriteLock 中 state 代表什么?

A:state 代表锁的状态。state 为 0 ,没有线程持有锁,state 的高 16 为代表读锁状态,低 16 为代表写锁状态。通过位运算可以获取读写锁的实际值。

Q:线程获取锁的流程是怎么样的?

A:可以参考上面的源码笔记,以及后面的流程图。

Q:读锁和写锁的可重入性是如何实现的?

A:在加锁的时候,判断是否为当前线程,如果是当前线程,则直接累加计数。值得注意的是:读锁重入计数使用的 ThreadLocal 在线程中缓存计数,而写锁则直接用的 state 进行累加(其实和 state 低 16 位进行累加一样)。

Q:当前线程获取锁失败,被阻塞的后续操作是什么?

A:获取失败,会放到 AQS 等待队列中,在队列中不断循环,监视前一个节点是否为 head ,是的话,会重新尝试获取锁。

Q:锁降级是怎么降级的?

A: write-to-read-koAuqm
如图,在圈出部分 fullTryAcquireShared 代码中,可以看出来,在获取读锁的时候,如果当前线程持有写锁,是可以获取读锁的。这块就是指锁降级,比如线程 A 获取到了写锁,当线程 A 执行完毕时,它需要获取当前数据,假设不支持锁降级,就会导致 A 释放写锁,然后再次请求读锁。而在这中间是有可能被其他阻塞的线程获取到写锁的。从而导致线程 A 在一次执行过程中数据不一致。

小结

  1. ReentrantReadWriteLock 读写锁,内部实现是 ReadLock 读锁 和 WriteLock 写锁。读锁,允许共享;写锁,是独占锁。
  2. 读写锁都支持重入,读锁的重入次数记录在线程维护的 ThreadLocal 中,写锁维护在 state 上(低 16 位)。
  3. 支持锁降级,从写锁降级为读锁,防止脏读。
  4. ReadLock 和 WriteLock 都是通过 AQS 来实现的。获取锁失败后会放到 AQS 等待队列中,后续不断尝试获取锁。区别在读锁只有存在写锁的时候才放到等待队列,而写锁是只要存在非当前线程锁(无论写锁还是读锁)都会放到等待队列。read-write-different-gzNdCo
  5. 通过源码分析,可以得出读写锁适合在读多写少的场景中使用。

相关资料

[1] Java Api:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/overview-summary.html