读写锁的实现分析

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、读锁的获取与释放以及锁降级

1. 读写状态设计

​ 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。
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。
​ 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位表示写如下图

​ 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。

2. 写锁的获取与释放

​ 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();
    		// 即上文说的 S
            int c = getState();
   			// 获取写锁状态
            int w = exclusiveCount(c);
    		// 这里就是上面的那个推论，当 S不等于0时
            if (c != 0) {
                // 当 写状态为零， 代表读锁被获取了。
                // 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");
                // Reentrant acquire
                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. 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。

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);
        }

​ 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）

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，如下代码

​ 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》