Java多线程（二十一）---Java中的锁---读写锁

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1 概述

• 锁（如Mutex和ReentrantLock）基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。
• 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，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。
• 除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。
• 假设在程序中定义一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务（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（Java 5之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键进行同步），这样做的目的是使读操作能读取到正确的数据，不会出现脏读。
• 改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可。
• 一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读是多于写的。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。
  Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock
  
  

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2 读写锁的接口与示例

• ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()方法
• 其实现——ReentrantReadWriteLock，除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法
  
  

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  示例
  通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式

public class Cache {
    static Map map = new HashMap();
    static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock r = rwl.readLock();
    static Lock w = rwl.writeLock();
    // 获取一个key对应的value
    public static final Object get(String key) {
            r.lock();
            try {
                    return map.get(key);
            } finally {
                    r.unlock();
            }
    }
    // 设置key对应的value，并返回旧的value
    public static final Object put(String key, Object value) {
            w.lock();
            try {
                    return map.put(key, value);
            } finally {
                    w.unlock();
            }
    }
    // 清空所有的内容
    public static final void clear() {
            w.lock();
            try {
                    map.clear();
            } finally {
                    w.unlock();
            }
    }
}

• 上述示例中，Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。
• 在读操作get(String key)方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。
• 写操作put(String key,Object value)方法和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当获取写锁后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。
• Cache使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。

3 读写锁的实现分析

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、读锁的获取与释放以及锁降级（以下没有特别说明读写锁均可认为是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 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。
• 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
• 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。

• 如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位切割使用”这个变量，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

  
  
  

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  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？答案是通过位运算。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。

3.2 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，获取写锁的代码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
            // 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(c + acquires);
            return true;
    }
    if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {
            return false;
    }
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

• 该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）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，如果允许读锁在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。
• 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。

3.3 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，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（线程安全的）增加读状态。
• 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，这使获取读锁的实现变得复杂。
• 这里将获取读锁的代码做了删减，保留必要的部分

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    for (;;) {
            int c = getState();
            int nextc = c + (1 << 16);
            if (nextc < c)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
                    return -1;
            if (compareAndSetState(c, nextc)) 
                    return 1;
    }
}

• 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（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态，成功获取读锁。
• 读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）均减少读状态，减少的值是（1<<16）。

3.4 锁降级

• 锁降级指的是写锁降级成为读锁。
• 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不能称之为锁降级。
• 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（先前拥有的）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 void processData() {
    readLock.lock();
    if (!update) {
            // 必须先释放读锁
            readLock.unlock();
            // 锁降级从写锁获取到开始
            writeLock.lock();
            try {
                    if (!update) {
                            // 准备数据的流程（略）
                            update = true;
                    }
                    readLock.lock();
      } finally {
                    writeLock.unlock();
            }
            // 锁降级完成，写锁降级为读锁
    }
    try {
            // 使用数据的流程（略）
    } finally {
            readLock.unlock();
    }
}

• 上述示例中，当数据发生变更后，update变量（布尔类型且volatile修饰）被设置为false，此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化，但只有一个线程能够获取到写锁，其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后，再获取读锁，随后释放写锁，完成锁降级。
• 锁降级中读锁的获取是否必要呢？答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（记作线程T）获取了写锁并修改了数据，那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁，即遵循锁降级的步骤，则线程T将会被阻塞，直到当前线程使用数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进行数据更新。
• RentrantReadWriteLock不支持锁升级（把持读锁、获取写锁，最后释放读锁的过程）。目的也是保证数据可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据，则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。

参考

《java并发编程的艺术》