轻松掌握java读写锁(ReentrantReadWriteLock)的实现原理

前言

前面介绍了java中排它锁，共享锁的底层实现机制，本篇再进一步，学习非常有用的读写锁。鉴于读写锁比其他的锁要复杂，不想堆一大波的文字，本篇会试图图解式说明，把读写锁的机制用另外一种方式阐述，鉴于本人水平有限，如果哪里有误，请不吝赐教。

公平读写锁

ReentrantReadWriteLock的锁策略有两种，分为公平策略和非公平策略，两者有些小区别，为便于理解，本小节将以示例的形式来说明多线程下，使用公平策略的读写锁是如何处理的。

首先看一下即将出场的伙伴们，我们一共会出场几个线程，还有用于实现读写机制的AQS同步器队列。每个线程中的 R(0)W(0)表示当前线程占用了多少读写锁。

接下来，我们一步步来看在公平策略下多线程并发的读写机制是怎样的。

1.线程A请求一个读锁，此时无人竞争锁，A获取读锁1，即线程A重入次数为1，如下所示：

2.线程B请求一个读锁，由于AQS中没有等待节点，当前处于读锁占有状态(线程A占有1个读锁)，所以B成功获取读锁，如下所示：

3.这时候，线程C请求一个写锁，由于当前其他两个线程拥有读锁，写锁获取失败，线程C入队列，如下所示：

AQS初始化会创建一个空的头节点，C入队列，然后会休眠，等待其他线程释放锁唤醒。

4.线程D也来了，线程D想获取一个读锁，虽然当于处于读锁占有阶段，但是目前D不占有任何数量的读锁，而且同步器队列中已经有等待节点，这时候，由于公平策略，D不得已，一个字，等，如下图所示：

5.这时候，线程A执行完了，释放了读锁，由于B仍然占有读锁，所以释放后读锁仍然没有完全释放，写锁仍然没有机会执行，如下图所示：

6.这次，B也执行完了，执行完后，读锁全部释放，这时候会唤醒排在同步器队头的节点C，C成功获取一个写锁，如下图所示：

7.一旦任何一个线程获取了写锁，除了该线程自己，其它线程都将无法获取读锁和写锁，这时候，线程C再次请求一个读锁，这是允许的，但反过来如果一个线程先获取了读锁，再获取写法则是不行的。这时候的状态如下图所示：

8.这时候假设线程E也来了，E想获取读锁，由于当前处于写锁状态，直接入队，如下所示：

9.这会C终于把活干完了，把读锁和写锁都给释放了，然后线程D被唤醒，获取了读锁，如下图所示：

10.这时候，如果再来一个线程，比如A，也想获取读锁，由于节点中还有线程E在等待，而且当前线程A没有获取任何读锁，不是重入状态，所以只能置入队尾，如下图所示：

11.这时候，如果D再次调用了一次获取读锁，由于D属于可重入状态，所以直接把读锁+1即可，如下图所示：

12.由于D获取的是读锁，同步队列中的E等待的也是读锁，所以E会被唤醒，获取读锁继续执行，如下图所示：

13.同样的，由于线程A获取的是读锁，在E执行后，会唤醒线程A，A也可以获得读锁，并继续执行，如下图所示：

14.最后大家各自执行，悄然退场。

非公平读写锁

接下来我们再来看一下非公平策略读写锁机制又是如何的，为了更好的对比，我们沿用公平锁的流程。

由于获取读锁的逻辑比较复杂，我们在这里先简单进行归纳：

a. 如果当前全局处于无锁状态，则当前线程获取读锁

b. 如果当前全局处于读锁状态，且队列中没有等待线程，则当前线程获取读锁

c. 如果当前全局处于写锁占用状态（并且不是当前线程占有），则当前线程入队尾

d. 如果当前全局处于读锁状态，且等待队列中第一个等待线程想获取写锁，那么当前线程能够获取到读锁的条件为：当前线程获取了写锁，还未释放；当前线程获取了读锁，这一次只是重入读锁而已；其它情况当前线程入队尾。之所以这样处理一方面是为了效率，一方面是为了避免想获取写锁的线程饥饿，老是得不到执行的机会

e. 如果当前全局处于读锁状态，且等待队列中第一个等待线程不是写锁，则当前线程可以抢占读锁

获取写锁相对就比较简单了，规则如下：

h. 如果当前处于无锁状态，则当前线程获取写锁

i. 如果当前全局处于读锁状态，当前线程入队尾

j. 如果当前全局处于写锁状态，除非是重入获取写锁，否则入队尾

接下来我们看一遍流程：

1.线程A请求一个读锁，全局处于无锁状态，根据规则a，线程A获取了锁，如下图所示：

2.线程B请求一个读锁，根据规则b，线程B可以获取到读锁

3.这时候，线程C请求一个写锁，由于当前其他两个线程拥有读锁，写锁获取失败，线程C入队列(根据规则i)，如下所示：

AQS初始化会创建一个空的头节点，C入队列，然后会休眠，等待其他线程释放锁唤醒。

4.线程D也来了，线程D想获取一个读锁，根据读锁规则d，队列中第一个等待线程C请求的是写锁，为避免写锁迟迟获取不到，并且线程D不是重入获取读锁，所以线程D也入队，如下图所示：

5.这时候，线程A执行完了，释放了读锁，由于B仍然占有读锁，所以释放后读锁仍然没有完全释放，写锁仍然没有机会执行，如下图所示：

6.这次，B也执行完了，执行完后，读锁全部释放，这时候会唤醒排在同步器队头的节点C，C成功获取一个写锁，如下图所示：

7.一旦任何一个线程获取了写锁，除了该线程自己，其它线程都将无法获取读锁和写锁，这时候，线程C再次请求一个读锁，这是允许的，但反过来如果一个线程先获取了读锁，再获取写锁则是不行的。这时候的状态如下图所示：

8.这时候假设线程E也来了，E想获取读锁，由于当前处于写锁状态，直接入队，如下所示：

9.这会C终于把活干完了，把读锁和写锁都给释放了，然后线程D被唤醒，获取了读锁，如下图所示：

10.这时候，如果再来一个线程，比如A，也想获取读锁，虽然等待队列中，E线程刚好还没被唤醒，但A线程是可以抢占读锁的(这里假设抢占到了)，这个跟公平锁有明显的区别，如下图所示：

11.这时候，如果D再次调用了一次获取读锁，由于D属于可重入状态，所以直接把读锁+1即可，如下图所示：

12.由于当前状态下处于读锁状态，前面的线程D其实醒来后，是会同时唤醒线程E的，所以线程E也醒过来继续干活了，如下图所示：

13.同步队列中没有等待线程了，各个线程执行完后，一切相安无事了。

总结

考虑到业务的多样化，java5中提供的并发包中的工具类大部分都同时提供了公平及非公平策略，这两种策略下，一般而言，非公平锁吞吐会比较大，所以默认情况下都是使用的非公平策略。

本篇试图以尽量简单的方式来阐明读写锁的实现机制，为了直观，我们只考虑简单抽象的方式，实际在实现的时候，会使用CAS去竞争锁。特别是在非公平策略中的第10个步骤，这种情况下有可能E先获取了读锁。很多时候，我们在大致了解了实现步骤，流程之后，再去品味源码，就会更加的轻松。

最后还是建议大家在了解了思路之后，自己多看看源码，多思考，学到的才是属于自己的东西。