并发编程——ReentrantReadWriteLock

文章目录

为什么要出现读写锁
读写锁的核心思想
写锁的操作
- 写锁加锁-acquire
- 写锁-释放锁操作
读锁的操作
- 读锁的加锁操作
总结

为什么要出现读写锁

因为ReentrantLock是互斥锁，如果有一个操作是读多写少，同时还需要保证线程安全，那么使用ReentrantLock会导致效率比较低。因为多个线程在对同一个数据进行读操作时，也不会造成线程安全问题。所以出现了ReentrantReadWriteLock锁：

读读操作是共享的。
写写操作是互斥的。
读写操作是互斥的。
写读操作是互斥的。

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）

使用方式：

public class XxxTest {
    // 读写锁
    static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    // 写锁
    static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();

    // 读锁
    static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println("拿到读锁！");
        } finally {
            readLock.unlock();
        }

        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println("拿到写锁！");
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

读写锁的核心思想

ReentrantReadWriteLock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。将state的高16位作为读锁的标识，将state的低16位作为写锁的标识

锁重入问题：

写锁重入：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。
读锁重入：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。

读锁重入修改state，只是记录当前线程锁重入的次数，需要基于ThreadLocal记录。

state二进制表示：00000000 00000000 00000000 00000000

将state的高16位作为读锁的标识，将state的低16位作为写锁的标识。

写锁：00000000 00000000 00000000 00000001

写锁重入，低16位+1：00000000 00000000 00000000 00000010

读锁：

00000000 00000001 00000000 00000000

读锁重入，高16位+1：

00000000 00000010 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
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。

写锁的操作

写锁加锁-acquire

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

tryAcquire：尝试获取锁资源，能否以CAS的方式将state 从0 改为 1，改成功，拿锁成功。
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。

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
        // 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
        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;
}

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

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;
}

读锁的操作

读锁的加锁操作

// 读锁加锁操作
public final void acquireShared(int arg) {
    
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

tryAcquireShared，尝试获取锁资源，获取到返回1，没获取到返回-1
doAcquireShared，前面没拿到锁，这边需要排队

// 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，一直阻塞
    // 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) {
            // 锁重入，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： 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;
        }
    }
}

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);
    }
}

总结

ReentrantReadWriteLock的使用可以提高并发性，特别适用于读操作远多于写操作的情况。它相对于排他锁，因为排他锁在同一时间只允许一个线程访问。ReentrantReadWriteLock允许多个读线程同时访问，但不允许写线程和读线程同时访问，也不允许写线程和写线程同时访问。