Java多线程系列(十一)：ReentrantReadWriteLock的实现原理与锁获取详解
我们继续Java多线程与并发系列之旅，之前我们分享了Synchronized 和 ReentrantLock 都是独占锁，即在同一时刻只有一个线程获取到锁。
然而在有些业务场景中，我们大多在读取数据，很少写入数据，这种情况下，如果仍使用独占锁，效率将及其低下。
针对这种情况，Java提供了读写锁——ReentrantReadWriteLock。
有点类似MySQL数据库为代表的读写分离机制，既然我们知道了读写锁是用于读多写少的场景。那问题来了，ReentrantReadWriteLock是怎样来实现的呢，它与ReentrantLock的实现又有什么的区别呢？
带着这些疑问，Mike将通过本篇为大家剖析其中的缘由。
本文作者：MikeChen，10年+大厂架构师、CTO，持续创作、免费分享【BAT架构技术专题500+期】。
文章目录
- ReentrantReadWriteLock简介
- ReentrantReadWriteLock特性
- ReentrantReadWriteLock的主要成员
- ReentrantReadWriteLock的实现原理
- ReentrantReadWriteLock写锁和读锁的获取与释放
ReentrantReadWriteLock简介
很多情况下有这样一种场景：对共享资源有读和写的操作，且写操作没有读操作那么频繁。
在没有写操作的时候，多个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程同时读取共享资源，但是如果一个线程想去写这些共享资源，就不应该允许其他线程对该资源进行读和写的操作了。
针对这种场景，JAVA的并发包提供了读写锁ReentrantReadWriteLock，它表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；一个是写相关的锁，称为排他锁。
ReentrantReadWriteLock特性
- 公平性：读写锁支持非公平和公平的锁获取方式，非公平锁的吞吐量优于公平锁的吞吐量，默认构造的是非公平锁
- 可重入：在线程获取读锁之后能够再次获取读锁，但是不能获取写锁，而线程在获取写锁之后能够再次获取写锁，同时也能获取读锁
- 锁降级：线程获取写锁之后获取读锁，再释放写锁，这样实现了写锁变为读锁，也叫锁降级
ReentrantReadWriteLock的主要成员和结构图
1. ReentrantReadWriteLock的继承关系
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock（）;
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing.
*/
Lock writeLock（）;
}读写锁 ReadWriteLock
读写锁维护了一对相关的锁，一个用于只读操作，一个用于写入操作。
只要没有写入，读取锁可以由多个读线程同时保持,写入锁是独占的。
2.ReentrantReadWriteLock的核心变量
ReentrantReadWriteLock类包含三个核心变量：
- ReaderLock：读锁,实现了Lock接口
- WriterLock：写锁,也实现了Lock接口
- Sync：继承自AbstractQueuedSynchronize（AQS）,可以为公平锁FairSync 或 非公平锁NonfairSync
3.ReentrantReadWriteLock的成员变量和构造函数
/** 内部提供的读锁 */
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
/** 内部提供的写锁 */
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
/** AQS来实现的同步器 */
final Sync sync;
/**
* Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with
* 默认创建非公平的读写锁
*/
public ReentrantReadWriteLock（） {
this（false）;
}
/**
* Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with
* the given fairness policy.
*
* @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy
*/
public ReentrantReadWriteLock（boolean fair） {
sync = fair ? new FairSync（） : new NonfairSync（）;
readerLock = new ReadLock（this）;
writerLock = new WriteLock（this）;
} ReentrantReadWriteLock的核心实现
ReentrantReadWriteLock实现关键点，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
之前谈ReentrantLock的时候,Sync类是继承于AQS，主要以int state为线程锁状态,0表示没有被线程占用，1表示已经有线程占用。
同样ReentrantReadWriteLock也是继承于AQS来实现同步，那int state怎样同时来区分读锁和写锁的？
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，ReentrantReadWriteLock将int类型的state将变量切割成两部分：
- 高16位记录读锁状态
- 低16位记录写锁状态
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 版本序列号
private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;
// 高16位为读锁，低16位为写锁
static final int SHARED_SHIFT = 16;
// 读锁单位
static final int SHARED_UNIT = （1 << SHARED_SHIFT）;
// 读锁最大数量
static final int MAX_COUNT = （1 << SHARED_SHIFT） - 1;
// 写锁最大数量
static final int EXCLUSIVE_MASK = （1 << SHARED_SHIFT） - 1;
// 本地线程计数器
private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
// 缓存的计数器
private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
// 第一个读线程
private transient Thread firstReader = null;
// 第一个读线程的计数
private transient int firstReaderHoldCount;
}2.写锁的获取与释放
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（）;
//获取独占锁（写锁）的被获取的数量
int w = exclusiveCount（c）;
if （c != 0） {
// （Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0）
//1.如果同步状态不为0，且写状态为0,则表示当前同步状态被读锁获取
//2.或者当前拥有写锁的线程不是当前线程
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;
}1）c是获取当前锁状态,w是获取写锁的状态。
2）如果锁状态不为零，而写锁的状态为0，则表示读锁状态不为0，所以当前线程不能获取写锁。或者锁状态不为零，而写锁的状态也不为0，但是获取写锁的线程不是当前线程，则当前线程不能获取写锁。
3）写锁是一个可重入的排它锁，在获取同步状态时，增加了一个读锁是否存在的判断。
写锁的释放与ReentrantLock的释放过程类似，每次释放将写状态减1，直到写状态为0时，才表示该写锁被释放了。
3.读锁的获取与释放
protected final int tryAcquireShared（int unused） {
for（;;） {
int c = getState（）;
int nextc = c + （1<<16）;
if（nextc < c） {
throw new Error（"Maxumum lock count exceeded"）;
}
if（exclusiveCount（c）!=0 && owner != Thread.currentThread（））
return -1;
if（compareAndSetState（c,nextc））
return 1;
}
}1）读锁是一个支持重进入的共享锁，可以被多个线程同时获取。
2）在没有写状态为0时，读锁总会被成功获取，而所做的也只是增加读状态（线程安全）
3）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。
读锁的每次释放均减小状态（线程安全的，可能有多个读线程同时释放锁），减小的值是1<<16。
4.锁降级
降级是指当前把持住写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。
锁降级过程中的读锁的获取是否有必要，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直接释放写锁，假设此刻另一个线程获取的写锁，并修改了数据，那么当前线程就步伐感知到线程T的数据更新，如果当前线程遵循锁降级的步骤，那么线程T将会被阻塞，直到当前线程使数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进行数据更新。
5.读锁与写锁的整体流程
ReentrantReadWriteLock总结
本篇详细介绍了ReentrantReadWriteLock的特征、实现、锁的获取过程，通过4个关键点的核心设计：
- 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
从而才能实现：共享资源有读和写的操作，且写操作没有读操作那么频繁的应用场景。
