java多线程7：ReentrantReadWriteLock

真实的多线程业务开发中，最常用到的逻辑就是数据的读写，ReentrantLock虽然具有完全互斥排他的效果（即同一时间只有一个线程正在执行lock后面的任务），

这样做虽然保证了实例变量的线程安全性，但效率却是非常低下的。所以在JDK中提供了一种读写锁ReentrantReadWriteLock类，使用它可以加快运行效率。

读写锁表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；另一个是写操作相关的锁，称为排他锁。

下面我们通过代码去验证下读写锁之间的互斥性

ReentrantReadWriteLock

读读共享

首先创建一个对象，分别定义一个加读锁方法和一个加写锁的方法，

public class MyDomain3 {

    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void testReadLock() {
        try {
            lock.readLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 获取读锁");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void testWriteLock() {
        try {
            lock.writeLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 获取写锁");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }

}

　　创建线程类1 调用加读锁方法

public class Mythread3_1 extends Thread {

    private MyDomain3 myDomain3;

    public Mythread3_1(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }

    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testReadLock();
    }
}

　　

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_1 readLock2 = new Mythread3_1(myDomain3);
	readLock.start();
	readLock2.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　执行结果：

1639621812838 获取读锁
1639621812839 获取读锁

　　可以看出两个读锁几乎同时执行，说明读和读之间是共享的，因为读操作不会有线程安全问题。

写写互斥

创建线程类2，调用加写锁方法

public class Mythread3_2 extends Thread {

    private MyDomain3 myDomain3;

    public Mythread3_2(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }

    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testWriteLock();
    }
}

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock2 = new Mythread3_2(myDomain3);

        writeLock.start();
        writeLock2.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　执行结果：

1639622063226 获取写锁
1639622064226 获取写锁

　　从时间上看，间隔是1000ms即1s，说明写锁和写锁之间互斥。

读写互斥

再用线程1和线程2分别调用读锁与写锁

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);

	readLock.start();
        writeLock.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　执行结果：

1639622338402 获取读锁
1639622339402 获取写锁

　　从时间上看，间隔是1000ms即1s，和代码里面是一致的，证明了读和写之间是互斥的。

注意一下，"读和写互斥"和"写和读互斥"是两种不同的场景，但是证明方式和结论是一致的，所以就不证明了。

最终测试结果下：

1、读和读之间不互斥，因为读操作不会有线程安全问题

2、写和写之间互斥，避免一个写操作影响另外一个写操作，引发线程安全问题

3、读和写之间互斥，避免读操作的时候写操作修改了内容，引发线程安全问题

总结起来就是，多个Thread可以同时进行读取操作，但是同一时刻只允许一个Thread进行写入操作。

源码分析

读写锁中的Sync也是同样实现了AQS，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。

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

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？

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;

/** Returns the number of shared holds represented in count  */
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

　　其实是通过位运算。假设当前同步状态值为c，写状态等于c & EXCLUSIVE_MASK (c&0x0000FFFF（将高16位全部抹去）)，

读状态等于c>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于c+1，当读状态增加1时，等于c+(1<<16)，也就是c+0x00010000。

根据状态的划分能得出一个推论：c不等于0时，当写状态（c & 0x0000FFFF）等于0时，则读状态（c>>>16）大于0，即读锁已被获取。

写锁的获取与释放

　　通过上面的测试，我们知道写锁是一个支持重入的排它锁，看下源码是如何实现写锁的获取

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)
                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;
        }

　　第3行到第11行，简单说了下整个方法的实现逻辑，这里要夸一下，这段注释就很容易的让人知道代码的功能。下面我们分析一下，

第13到第15行，分别拿到了当前线程对象current，lock的加锁状态值c 以及写锁的值w，c!=0 表明 当前处于有锁状态，

再继续分析第16行到25行，有个关键的Note：(Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)：简单说就是：如果一个有锁状态但是没有写锁，那么肯定加了读锁。

第18行if条件，就是判断加了读锁，但是当前线程不是锁拥有的线程，那么获取锁失败，证明读写锁互斥。

第20行到第25行，走到这步，说明 w !=0 ，已经获取了写锁，只要不超过写锁最大值，那么增加写状态然后就可以成功获取写锁。

如果代码走到第26行，说明c==0，当前没有加任何锁，先执行 writerShouldBlock()方法，此方法用来判断写锁是否应该阻塞，

这块是对公平与非公平锁会有不同的逻辑，对于非公平锁，直接返回false，不需要阻塞，

下面是公平锁执行的判断

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

　　对于公平锁需要判断当前等待队列中是否存在 等于当前线程并且正在排队等待获取锁的线程。

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。JDK源码如下：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            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);
        }

　　第4行到第6行，如果写锁被其他线程持有，则直接返回false，获取读锁失败，证明不同线程间写读互斥。

第8行，readerShouldBlock() 获取读锁是否应该阻塞，这儿也同样要区分公平锁和非公平锁，

公平锁模式需要判断当前等待队列中是否存在 等于当前线程并且正在排队等待获取锁的线程，存在则获取读锁需要等待。

非公平锁模式需要判断当前等待队列中第一个是等待写锁的，则方法返回true，获取读锁需要等待。

fullTryAcquireShared() 主要是处理读锁获取的完整版本，它处理tryAcquireShared()中没有处理的CAS错误和可重入读锁的处理逻辑。

参考文献

1：《Java并发编程的艺术》

2：《Java多线程编程核心技术》