并发编程之ReentrantReadWriteLock详解
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ReentrantReadWriteLock介绍
? ? ? ? ReentrantReadWriteLock是Java中的一个读写锁实现，它允许多个线程同时读取共享资源（读读可以并发），但在写入时只允许一个线程独占（读写，写读，写写互斥）。这个锁支持重入，即同一个线程可以多次获取相同类型的锁。这种锁可以提高读操作的并发性，同时保证写操作的独占性。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。
线程进入读锁的前提条件
没有其他线程的写锁
没有写请求或者有写请求，但调用线程和持有锁的线程是同一个。
线程进入写锁的前提条件
没有其他线程的读锁
没有其他线程的写锁
ReentrantReadWriteLock三个重要的特性
公平选择性：支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平。
可重入：读锁和写锁都支持线程重入。以读写线程为例：读线程获取读锁后，能够再次获取读锁。写线程在获取写锁之后能够再次获取写锁，同时也可以获取读锁。
锁降级：遵循获取写锁、再获取读锁最后释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。
ReentrantReadWriteLock类
?ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口
? ? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ReentrantReadWriteLock是可重入的读写锁实现类。在它内部，维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，另一个用于写入操作。只要没有 Writer 线程，读锁可以由多个 Reader 线程同时持有。也就是说，写锁是独占的，读锁是共享的。
ReentrantReadWriteLock使用读写锁
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class SharedData {
private int data = 0;
private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public int readData() {
lock.readLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is reading data: " + data);
return data;
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
public void writeData(int newValue) {
lock.writeLock().lock();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is writing data: " + newValue);
data = newValue;
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
SharedData sharedData = new SharedData();
// 创建多个读线程
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
sharedData.readData();
}, "ReaderThread-" + i).start();
}
// 创建一个写线程
new Thread(() -> {
sharedData.writeData(42);
}, "WriterThread").start();
}
}
? ? ? ?SharedData 类包含一个整数 data，并使用 ReentrantReadWriteLock 对其进行读写保护。多个读线程（ReaderThread）可以同时访问 readData 方法，而写线程（WriterThread）在调用 writeData 方法时会独占写锁，以确保写入的原子性。多个线程能够同时读取数据，但只有一个线程能够写入新的数据。（ReentrantReadWriteLock适合读多写少的场景）
锁降级
? ? ? ? 在互斥锁中，锁是排他的，即一旦线程获取了写锁，其他线程就不能获取读锁或写锁，直到写锁被释放。而ReentrantReadWriteLock允许降级，即允许一个线程在持有写锁的情况下获取读锁，并最终释放写锁，而保持读锁的持有。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class LockDowngradeExample {
private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public void performWrite() {
lock.writeLock().lock(); // 获取写锁
try {
// 执行写操作
System.out.println("Performing write operation...");
// 获取读锁（锁降级）
lock.readLock().lock();
} finally {
lock.writeLock().unlock(); // 释放写锁
}
try {
// 执行读操作
System.out.println("Performing read operation...");
} finally {
lock.readLock().unlock(); // 释放读锁
}
}
public static void main(String[] args) {
LockDowngradeExample example = new LockDowngradeExample();
example.performWrite();
}
}
? ? ? ? 在以上代码中，线程首先获取写锁，执行写操作，然后将写锁降级为读锁。在读锁的情况下可以执行读操作，而不会阻塞其他线程获取读锁。这个降级的过程就是锁降级。
注意事项
读锁不支持条件变量。
重入时升级不支持：持有读锁的情况下去获取写锁，会导致获取永久等待。
重入时支持降级： 持有写锁的情况下可以去获取读锁。
ReentrantReadWriteLock结构
?ReentrantReadWriteLock读写状态设计
? ? ? ?在 ReentrantLock 中，使用 Sync ( 实际是 AQS )的?int?类型的?state?来表示同步状态，表示锁被一个线程重复获取的次数。但是，读写锁 ReentrantReadWriteLock 内部维护着一对读写锁，如果要用一个变量维护多种状态，需要采用“按位切割使用”的方式来维护这个变量，将其切分为两部分：高16为表示读，低16为表示写。
通过位运算确定读锁和写锁的状态：
写状态，等于?S & 0x0000FFFF（将高 16 位全部抹去）。 当写状态加1，等于S+1.
读状态，等于 S >>> 16 (无符号补 0 右移 16 位)。当读状态加1，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。
?exclusiveCount(int c)?静态方法，获得持有写状态的锁的次数。
sharedCount(int c)?静态方法，获得持有读状态的锁的线程数量。不同于写锁，读锁可以同时被多个线程持有。而每个线程持有的读锁支持重入的特性，所以需要对每个线程持有的读锁的数量单独计数，这就需要用到 HoldCounter 计数器。
HoldCounter 计数器
? ? ? ?读锁其实就是一个共享锁。一次共享锁的操作就相当于对HoldCounter 计数器的操作。获取共享锁，则该计数器 + 1，释放共享锁，该计数器 - 1。只有当线程获取共享锁后才能对共享锁进行释放、重入操作。
?HoldCounter是用来记录读锁重入数的对象
ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal变量，记录了当前线程在持有读锁的次数。
写锁的获取
? ? ? ? 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。写锁的获取是通过重写AQS中的tryAcquire方法实现的。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//当前线程
Thread current = Thread.currentThread();
//获取state状态 存在读锁或者写锁，状态就不为0
int c = getState();
//获取写锁的重入数
int w = exclusiveCount(c);
//当前同步状态state != 0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁
if (c != 0) {
// c!=0 && w==0 表示存在读锁
// 当前存在读锁或者写锁已经被其他写线程获取，则写锁获取失败
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
// 超出最大范围 65535
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//同步state状态
setState(c + acquires);
return true;
}
// writerShouldBlock有公平与非公平的实现, 非公平返回false，会尝试通过cas加锁
//c==0 写锁未被任何线程获取，当前线程是否阻塞或者cas尝试获取锁
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
//设置写锁为当前线程所有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;writerShouldBlock写锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync）
? ? ?
?
写锁的释放
写锁释放通过重写AQS的tryRelease方法实现
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//若锁的持有者不是当前线程，抛出异常
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
//当前写状态是否为0，为0则释放写锁
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
读锁的获取
通过重写AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法。读锁的获取实现方法如下：
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 如果写锁已经被获取并且获取写锁的线程不是当前线程，当前线程获取读锁失败返回-1 判断锁降级
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
//计算出读锁的数量
int r = sharedCount(c);
/**
* 读锁是否阻塞 readerShouldBlock()公平与非公平的实现
* r < MAX_COUNT： 持有读锁的线程小于最大数（65535）
* compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) cas设置获取读锁线程的数量
*/
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { //当前线程获取读锁
if (r == 0) { //设置第一个获取读锁的线程
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1; //设置第一个获取读锁线程的重入数
} else if (firstReader == current) { // 表示第一个获取读锁的线程重入
firstReaderHoldCount++;
} else { // 非第一个获取读锁的线程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++; //记录其他获取读锁的线程的重入次数
}
return 1;
}
// 尝试通过自旋的方式获取读锁,实现了重入逻辑
return fullTryAcquireShared(current);?readerShouldBlock读锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync）
? ??
读锁的释放
读锁释放的实现主要通过方法tryReleaseShared：
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
//如果当前线程是第一个获取读锁的线程
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--; //重入次数减1
} else { //不是第一个获取读锁的线程
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; //重入次数减1
}
for (;;) { //cas更新同步状态
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// Releasing the read lock has no effect on readers,
// but it may allow waiting writers to proceed if
// both read and write locks are now free.
return nextc == 0;
}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
?本文参考自图灵学院Fox老师笔记！
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