【Java锁体系】ReadWriteLock读写锁场景
一、背景
像我们所知的ReentrantLock、synchronized关键字都是排它锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程访问。
而读写锁允许在同一时刻多个读线程访问，但是写线程访问时，所有的读线程和其它写线程均被阻塞。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，使得并发性能对于一般的排它锁有了很大得到提升。
假设在程序中定义一个共享的用作缓存的数据结构。它大部分时间都是提供读服务的，例如查询和搜索，而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。
在没有读写锁支持的JDK5之前，如果需要完成上述地工作，就要用到java的等待通知机制。即当写操作时，所有晚于写操作的读操作都会进入等待状态，只有写操作完成并通知之后，所有等待的读操作才能继续执行，这样做的目的就是使得读操作都能读取到正确的数据，不会出现脏读。使用读写锁完成上述功能后，只需在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可。写操作获取写锁时，后续的写操作和读操作都会被阻塞。
读写锁的性能比其它的排它锁好，因为大多数的场景是读多与写的。读写锁能够提供比其它排它锁更好的并发性能和吞吐量。
Java并发包中读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock。
二、ReentrantReadWriteLock的特性
公平性选择：支持公平和非公平性的锁获取方式，默认为非公平；
可重入锁：以读写锁为例：读线程在获取读锁之后，能够再次获取读锁；
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；
三、ReentrantReadWriteLock的API
方法名称 | 描述 |
ReadLock readLock() | 获取读锁 |
WriteLock writeLock() | 获取写锁 |
int getReadLockCount() | 返回当前读锁被获取的次数。该次数不等于获取读锁的线程数。例如：仅一个线程，它连续获取了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1 ，但该方法返回n |
int getReadHoldCount() | 返回当前线程获取读锁的次数。该方法在Java 6 中加入到ReentrantReadWriteLock中，使用ThreadLocal保存当前线程获取的次数，这也使得Java 6的实现变得更加复杂 |
boolean isWriteLocked() | 判断写锁是否被获取 |
int getWriteHoldCount() | 返回当前写锁被获取的次数 |
四、读写锁的实现分析
ReentrantReadWriteLock的实现，主要包括：读写状态的设计、写锁的获取与释放、读锁的获取与释放、锁降级。
1.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。在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AtomicInteger的整型变量)上维护多个读线程和一个写线程的状态。
如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位分割使用”这个变量，读写锁将变量切分为两个部分，高16位表示读，低16位表示写。
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，同时也连续获得了两次读锁。读写锁通过位运算快速的确定各自的状态。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10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。
2.写锁的获取和释放
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。
获取写锁的实现方法：ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//c != 0的时候，代表重入
//1.c != 0 and w==0 说明读取状态不为0，失败
//2.当前线程不是已获取到锁的线程，失败
//3.w+state > MAX_COUNT，说明计数饱和，失败
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
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;
}
//c == 0的时候，代表第一次获取锁
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}该方法除了写线程的重入条件判定之外，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，如果允许读锁再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。
如果当前状态为0，写线程第一次获取锁，会进行writerShouldBlock()的判断。
这个方法在公平和非公平的锁获取方式下实现是不同的。
//公平模式
final boolean writerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}hasQueuedPredecessors()方法，顾名思义，就是判定当前线程是否有还在队列中的前驱。如果没有，才能获取锁，如果有则返回true。
//非公平模式
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}非公平模式下，writer线程始终不需要阻塞。
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。
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;
}3.读锁的获取和释放
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，而所做的也只是增加读状态，由于是多个读写线程同时获取，所以增加读状态是线程安全的。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，这是获取读锁的实现变得复杂。
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
//1.如果有写线程持有锁，则直接返回失败
//2.如果读线程需要阻塞，则不尝试获取读锁，进入fullTryAcquireShared方法
//3.如果读锁计数器已经达到上限或者状态设置失败，也进入fullTryAcquireShared方法
//4.如果是首个获取读锁的线程，会将信息记录在firstReader和firstReaderHoldCount中
//5.非首个获取读锁的线程，会将信息记录在ThreadLocalHoldCounter线程内部变量中
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 != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}//具有循环重试的完整版本，可以处理CAS遗漏
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
//该代码与tryAcquireShared中的代码部分冗余
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
} else if (readerShouldBlock()) {
if (firstReader == current) {
} else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
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;
}
}
}非公平模式的readerShouldBlock()方法
final boolean readerShouldBlock() {
//为了避免无限期的阻塞写线程
//如果同步队列中的第一个节点（头节点的后继节点）是写线程，则阻塞
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}//如果明显的第一个排队线程（如果存在）正在排他模式下等待，则返回{@code true}。
final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {
Node h, s;
return (h = head) != null &&
(s = h.next) != null &&
!s.isShared() &&
s.thread != null;
}公平模式的readerShouldBlock()方法和writerShouldBlock()一致
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}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，则当前线程增加读状态，成功获取读锁。
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current) {
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
} else {
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;
}
for (;;) {
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}读锁的每次释放均减少读状态，减少的值是（1<<16）。
读锁的获取和释放都是线程安全的，其安全性由CAS来保证。
4.锁降级
锁降级指的是写锁降级为读锁。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被称之为锁降级。锁降级是指把持住当前拥有的写锁，再获取到读锁，随后释放之前拥有的写锁的过程。
接下来看一个锁降级的示例。因为数据不常变化，所以多个线程可以并发地进行数据处理，当数据变更后，如果当前线程感知到数据变化，则进行数据的准备工作，同时其他处理线程被阻塞，直到当前线程完成数据的准备工作。
public class ReadWriteLockTest implements Runnable{
private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
private ReadLock readLock = lock.readLock();
private WriteLock writeLock = lock.writeLock();
volatile int index;
volatile boolean update;
public ReadWriteLockTest() {
update = false;
}
@Override
public void run() {
while(true) {
processData();
}
}
public void processData() {
readLock.lock();
if(!update) {
//必须先释放读锁
readLock.unlock();
//锁降级从写锁开始
writeLock.lock();
try {
if(!update) {
//准备数据的流程,操作数据
++index;
try {
System.out.println("数据更新，请稍等...");
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
System.out.println("数据更新完成");
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
update = true;
}
readLock.lock();
}finally {
writeLock.unlock();
}
//锁降级完成，写锁降级为读锁
}
try {
for (int i=0; i<5; i++) {
try {
//使用数据的流程
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "使用数据，数据为：" + index);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}finally {
readLock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
ReadWriteLockTest readWriteLockTest = new ReadWriteLockTest();
for(int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(readWriteLockTest).start();
}
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
readWriteLockTest.update = false;
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(4000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
readWriteLockTest.update = false;
}
}五、总结
