Java多线程读写锁ReentrantReadWriteLock原理详解

ReentrantLock属于排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个线程访问，但是在写线程访问时，所有的读和其他写线程都被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

下面我们来看看读写锁ReentrantReadWriter特性

公平性选择：支持非公平（默认）和公平的锁获取模式，吞吐量还是非公平优于公平

重入性：该锁支持重入锁，以读写线程为例：读线程在获取读锁之后，能够再次读取读锁，而写线程在获取写锁之后可以同时再次获取读锁和写锁

锁降级：遵循获取写锁，获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级为读锁

读写锁接口详解

ReentrantReadWriterLock是ReadWriterLock的接口实现类，但是ReadWriterLock接口仅有读锁、写锁两个方法

/** @see ReentrantReadWriteLock
* @see Lock
* @see ReentrantLock
*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock();
}

ReentrantReadWriterLock自己提供了一些内部工作状态方法，例如

/**
* 返回当前读锁被获取的次数，该次数不等于获取锁的线程数，因为同一个线程可以多次获取支持重入锁
* Queries the number of read locks held for this lock. This
* method is designed for use in monitoring system state, not for
* synchronization control.
* @return the number of read locks held.
*/
public int getReadLockCount() {
return sync.getReadLockCount();
}
/**
*
* 返回当前线程获取读锁的次数，Java6之后使用ThreadLocal保存当前线程获取的次数
*/
final int getReadHoldCount() {
if (getReadLockCount() == 0)
return 0;
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current)
return firstReaderHoldCount;
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh != null && rh.tid == current.getId())
return rh.count;
int count = readHolds.get().count;
if (count == 0) readHolds.remove();
return count;
}
/**
* 判断写锁是否被获取
* @author fuyuwei
* 2017年5月21日 上午11:04:01
* @return
*/
final boolean isWriteLocked() {
return exclusiveCount(getState()) != 0;
}
/**
* 判断当前写锁被获取的次数
* @author fuyuwei
* 2017年5月21日 上午11:05:05
* @return
*/
final int getWriteHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? exclusiveCount(getState()) : 0;
}

下面我们来看一个通过缓存示例说明读写锁的使用

public class Cache {
static Map<String,Object> map = new HashMap<String,Object>();
static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock r = rwl.readLock();
static Lock w = rwl.writeLock();

public static final Object get(String key){
r.lock();
try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}

public static final Object put(String key,String value){
w.lock();
try{
return map.put(key, value);
}finally{
w.unlock();
}
}

public static final void clear(){
w.lock();
try{
map.clear();
}finally{
w.unlock();
}
}

}

上面的HashMap虽然是非线程安全，但是我们在get和put时候分别使用读写锁，保证了线程安全，其中写锁支持并发访问。

读写锁的实现原理分析

读写状态的设计

读写锁同样依赖自定义同步器来实现同步功能，而读写状态就是其同步器的同步状态。回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而读写锁的自定义同步器需要在同步状态（一个整型变量）上维护多个读线程和一个写线程的状

态，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位切割使用”这个变量，读写锁将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写，划分方式如下图所示



当前同步状态表示一个线程已经获取了写锁，且重进入了两次，同时也连续获取了两次读锁。读写锁是如何迅速确定读和写各自的状态呢？答案是通过位运算。假设当前同步状态值为S，写状态等于S&0x0000FFFF（将高16位全部抹去），读状态等于S>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于S+1，当读状态增加1时，等于S+(1<<16)，也就是S+0x00010000。根据状态的划分能得出一个推论：S不等于0时，当写状态（S&0x0000FFFF）等于0时，则读状态（S>>>16）大于0，即读锁已被获取。

写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排它锁。如果当前线程已经获取了写锁，则增加写状态。如果当前线程在获取写锁时，读锁已经被获取（读状态不为0）或者该线程不是已经获取写锁的线程，则当前线程进入等待状态，我们看下ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法

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.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
// 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取锁的线程
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
setState(c + acquires);
return true;
}
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}

该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取，原因在于：读写锁要确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此，只有等待其他读线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对后续读写线程可见

读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取，在没有其他写线程访问（或者写状态为0）时，读锁总会被成功地获取，而所做的也只是（线程安全的）增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁，则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时，写锁已被其他线程获取，则进入等待状态。获取读锁的实现从Java 5到Java 6变得复杂许多，主要原因是新增了一些功能，例如getReadHoldCount()方法，作用是返回当前线程获取读锁的次数。读状态是所有线程获取读锁次数的总和，而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中，由线程自身维护，这使获取读锁的实现变得复杂

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If write lock held by another thread, fail.
* 2. Otherwise, this thread is eligible for
*    lock wrt state, so ask if it should block
*    because of queue policy. If not, try
*    to grant by CASing state and updating count.
*    Note that step does not check for reentrant
*    acquires, which is postponed to full version
*    to avoid having to check hold count in
*    the more typical non-reentrant case.
* 3. If step 2 fails either because thread
*    apparently not eligible or CAS fails or count
*    saturated, chain to version with full retry loop.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount(c);
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态，成功获取读锁。读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）均减少读状态，减少的值是（1<<16）

锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁，然后将其释放，最后再获取读锁，这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。

public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 必须先释放读锁
readLock.unlock();
// 锁降级从写锁获取到开始
writeLock.lock();
try {
if (!update) {
// 准备数据的流程（略）
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}// 锁降级完成，写锁降级为读锁
}
try {// 使用数据的流程（略）
} finally {
readLock.unlock();
}
}

上述示例中，当数据发生变更后，update变量（布尔类型且volatile修饰）被设置为false，此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化，但只有一个线程能够获取到写锁，其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后，再获取读锁，随后释放写锁，完成锁降级。锁降级要先获取写锁为了保证线程安全，如果释放了写锁此时其他线程进行写操作我在在获取读锁读到的可能不是最新数据。