Java并发-ReentrantReadWriteLock源码分析

ReentrantLock实现了标准的互斥重入锁，任一时刻只有一个线程能获得锁。考虑这样一个场景：大部分时间都是读操作，写操作很少发生；我们知道，读操作是不会修改共享数据的，如果实现互斥锁，那么即使都是读操作，也只有一个线程能获得锁，其他的读都得阻塞。这样显然不利于提供系统的并发量。在JDK1.5中，Doug Lea又给我们带来了读写锁ReentrantReadWriteLock，在读-写锁的实现加锁策略中，允许多个读操作同时进行，但每次只允许一个写操作。

ReentrantReadWriteLock的结构

ReentrantReadWriteLock(简称RRWL)的实现也是通过AQS来实现的，它的内部也与一个Sync类，继承自AQS，读写锁都是依赖它来实现。在RRWL内部有两个类来分别实现读锁和写锁，ReadLock和WriteLock。RRWL有两个方法分别用于返回读锁和写锁：

ReentrantReadWriteLock.ReadLock	readLock() 返回读锁
ReentrantReadWriteLock.WriteLock	writeLock() 返回写锁

同样的，RRWL使用FairSync实现公平策略，NonFairSync实现非公平策略。RRWL包含的类：

Sync类

在读写锁中最重要的就是Sync类，它继承自AQS，还记得吗，AQS使用一个int型来保存状态，状态在这里就代表锁，它提供了获取和修改状态的方法。可是，这里要实现读锁和写锁，只有一个状态怎么办？Doug Lea是这么做的，它把状态的高16位用作读锁，低16位用作写锁，所以无论是读锁还是写锁最多只能被持有65535次。所以在判断读锁和写锁的时候，需要进行位运算：

（1）由于读写锁共享状态，所以状态不为0，只能说明是有锁，可能是读锁，也可能是写锁；

（2）读锁是高16为表示的，所以读锁加1，就是状态的高16位加1，低16位不变，所以要加的不是1，而是2^16，减一同样是这样。

（3）写锁用低16位表示，要获得写锁的次数，要用状态&2^16-1，结果的高16位全为0，低16位就是写锁被持有的次数。

在Sync中还有几个属性，会在后面的代码中用到。

 /** 实现ReentrantReadWriteLock的同步器，分别用子类来实现公平和非公平策略 */
    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;

        //最多支持65535个写锁和65535个读锁；低16位表示写锁计数，高16位表示持有读锁的线程数
        static final int SHARED_SHIFT   = 16;
        //由于读锁用高位部分，读锁个数加1，其实是状态值加 2^16
        static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
        static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
        /**写锁的掩码，用于状态的低16位有效值 */
        static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

        /** 读锁计数，当前持有读锁的线程数，c的高16位 */
        static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
        /** 写锁的计数，也就是它的重入次数,c的低16位*/
        static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

        /**
         * 每个线程持有读锁的计数
         */
        static final class HoldCounter {
            int count = 0;
            //使用id而不是引用是为了避免保留垃圾。注意这是个常量。
            final long tid = Thread.currentThread().getId();
        }

        /**
         * 采用继承是为了重写 initialValue 方法，这样就不用进行这样的处理：
         * 如果ThreadLocal没有当前线程的计数，则new一个，再放进ThreadLocal里。
         * 可以直接调用 get。
         * */
        static final class ThreadLocalHoldCounter
            extends ThreadLocal<HoldCounter> {
            public HoldCounter initialValue() {
                return new HoldCounter();
            }
        }

        /**
         * 当前线程持有的可重入读锁的数量，仅在构造方法和readObject(反序列化)
         * 时被初始化，当持有锁的数量为0时，移除此对象。
         */
        private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;

        /**
         * 最近一个成功获取读锁的线程的计数。这省却了ThreadLocal查找，
         * 通常情况下，下一个释放线程是最后一个获取线程。这不是 volatile 的，
         * 因为它仅用于试探的，线程进行缓存也是可以的
         * （因为判断是否是当前线程是通过线程id来比较的）。
         */
        private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
     
        /**firstReader是第一个获得读锁的线程；
         * firstReaderHoldCount是firstReader的重入计数；
         * 更准确的说，firstReader是最后一个把共享计数从0改为1，并且还没有释放锁。
         * 如果没有这样的线程，firstReader为null;
         * firstReader不会导致垃圾堆积，因为在tryReleaseShared中将它置空了，除非
         * 线程异常终止，没有释放读锁。
         * 
         * 跟踪无竞争的读锁计数时，代价很低
         */
        private transient Thread firstReader = null;
        private transient int firstReaderHoldCount;

        Sync() {
            readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
            setState(getState()); // ensures visibility of readHolds
        }

它的两个子类，FairSync和NonFairSync比较简单，它们就是决定在某些情况下读锁或者写锁是否需要阻塞，通过两个方法的返回值决定：

final boolean writerShouldBlock()；//写锁是否需要阻塞

final boolean readerShouldBlock()；//读锁是否需要阻塞

获取读锁

读锁是共享锁，同一时刻可以被多个线程获得，下面是获得读锁的代码：

/**
 * 获取读锁，如果写锁不是由其他线程持有，则获取并立即返回；
 * 如果写锁被其他线程持有，阻塞，直到读锁被获得。
 */
public void lock() {
    sync.acquireShared(1);
}
//ASQ的acquireShared
/**
 * 以共享模式获取对象，忽略中断。通过至少先调用一次 tryAcquireShared(int) 
 * 来实现此方法，并在成功时返回。否则在成功之前，一直调用 tryAcquireShared(int)
 *  将线程加入队列，线程可能重复被阻塞或不被阻塞。
 */
public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}
//Sync中的tryAcquireShared
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //持有写锁的线程可以获得读锁
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;//写锁被占用，且不是由当前线程持有，返回-1
            //执行到这里表明：写锁可用，或者写锁由当前线程持有
            //获得读锁的数量
            int r = sharedCount(c);
            
            /** 如果不用阻塞，且没有溢出，则使用CAS修改状态，并且修改成功 */
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//修改高16位的状态，所以要加上2^16
                //这是第一个占有读锁的线程，设置firstReader
            	if (r == 0) {
                    firstReader = current;
                    firstReaderHoldCount = 1;
                } else if (firstReader == current) {//重入计数加1
                    firstReaderHoldCount++;
                } else {
                	// 非 firstReader 读锁重入计数更新
                	//将cachedHoldCounter设置为当前线程
                    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;
            }
            //获取读锁失败，放到循环里重试
            return fullTryAcquireShared(current);
        }

重点关注Sync中的tryAcquireShared(int)，注意，在所有的读写锁中，获取锁和释放锁每次都是一个计数行为，锁其计数都说是1，而在获得读锁的过程中，参数根本就没有意义。上面的代码包含的逻辑：

（1）如果当前写锁被其他线程持有，则获取读锁失败；

（2）写锁空闲，或者写锁被当前线程持有（写锁可降级为读锁），在公平策略下，它可能需要阻塞，那么tryAcquireShared()就可能失败，则需要进入队列等待；如果是非公平策略，会尝试获取锁，使用CAS修改状态，修改成功，则获得读锁，否则也会进入同步队列等待；

（3）进入同步队列后，就是由AQS来完成唤醒。

释放读锁

一般来说，释放锁比获取锁要容易一些，看一下释放读锁的代码：

 protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
        	//将当前线程的读锁计数器的值减1
            Thread current = Thread.currentThread();
            /**
             * 当前线程是第一个获取到锁的，如果此线程要释放锁了，则firstReader置空
             * 否则，将线程持有的锁计数减1
             */
            if (firstReader == current) {
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
                if (firstReaderHoldCount == 1)
                    firstReader = null;
                else
                    firstReaderHoldCount--;
            } else {
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                //如果cachedHoldCounter为空，或者不等于当前线程
                if (rh == null || rh.tid != current.getId())
                    rh = readHolds.get();
                int count = rh.count;
                if (count <= 1) {
                    readHolds.remove();
                    if (count <= 0)//如果没有持有读锁，释放是非法的
                        throw unmatchedUnlockException();
                }
                --rh.count;
            }
            //有可能其他线程也在释放读锁，所以要确保释放成功
            for (;;) {
                int c = getState();
                int nextc = c - SHARED_UNIT;//高16位-1
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                	// 释放读锁对其他读线程没有任何影响，
                    // 但可以允许等待的写线程继续，如果读锁、写锁都空闲。
                    return nextc == 0;
            }
        }

释放读锁很简单，就是把状态的高16位减1，同时把当前线程持有锁的计数减1。在释放的过程中，其他线程可能也在释放读锁，所以修改状态有可能失败，把修改状态放到循环里做，直到成功为止。

写锁的获取

 protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            //获取状态，是读写锁共有的
            int c = getState();
            //写锁被持有的次数，通过与低16位做与操作得到
            int w = exclusiveCount(c);
            //c!=0，说明存在锁，可能是读锁，也可能是写锁
            if (c != 0) {
                // c!=0,w==0,说明读锁存在
            	//w != 0 && current != getExclusiveOwnerThread() 表示其他线程获取了写锁。
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                //如果超过了最大限制，则抛出异常
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                
                //执行到这里，说明存在写锁，且由当前线程持有
                // 重入计数
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            //执行到这里，说明不存在任何锁
            //WriterShouldBlock留给子类实现公平策略
            //使用CAS修改状态
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

其包含的逻辑：

（1）首先获得状态，保存到c中，获得写锁的计数保存到w中；这个时候需要根据c的值来判断是否存在锁

（2）如果c!=0，说明存在锁，如果w==0，说明存在读锁，获取写锁不能成功；如果w!=0，但是写锁是由其他线程持有的，那么当前线程获取写锁也不能成功；在这种情况下（存在写锁），只有写锁是由当前线程持有的，才能获得成功；

（3）如果c==0，说明不存在锁，如果是公平策略，还需要进入同步队列；如果是非公平策略，会尝试获得写锁。

释放写锁

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            int nextc = getState() - releases;
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
            //如果锁是可用的
            if (free)
                setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(nextc);
            return free;
        }

释放写锁很简答，就是状态的低16为减1，如果为0，说明写锁可用，返回true，如果不为0，说明当前线程仍然持有写锁，返回false;
上面只是简单的介绍了ReentrantReadWriteLock的实现，过会还会补充。

转载请注明：喻红叶《Java并发-ReentrantReadWriteLock源码分析》