Java并发学习笔记 （六） ReentrantLock和 ReentrantReadWriteLock
Java并发学习笔记 （六） ReentrantLock和 ReentrantReadWriteLock
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Java并发学习笔记 （六） ReentrantLock和 ReentrantReadWriteLock
一. ReentrantLock重入锁
1.1 重入性的实现原理
1.2 公平锁与非公平锁
二. ReentrantReadWriteLock读写锁
2.1 WriteLock写锁
写锁的获取：
写锁的释放：
2.2 ReadLock读锁
读锁的获取：
读锁的释放：
2.3 锁的降级
Reference
一. ReentrantLock重入锁
ReentrantLock重入锁，是实现Lock接口的一个类，也是在实际编程中使用频率很高的一个锁，支持重入性，表示能够对共享资源能够重复加锁，即当前线程获取该锁后再次获取不会被阻塞。前面知道Synchronized关键词隐式支持重入性，通过获取自增，释放自减的方式实现重入。
1.1 重入性的实现原理
支持重入性需解决两个问题：
1. 在线程获取锁的时候，如果已经获取锁的线程是当前线程的话则直接再次获取成功；
2. 由于锁会被获取n次，那么只有锁在被释放同样的n次之后，该锁才算是完全释放成功。
以非公平锁为例，ReentrantLock判断当前线程能否获得锁为例，核心方法为nonfairTryAcquire：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//1. 如果该锁未被任何线程占有，该锁能被当前线程获取
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//2.若被占有，检查占有线程是否是当前线程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 3. 再次获取，计数加一
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}同理，释放的核心方法为tryRelease:
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//1. 同步状态减1
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
//2. 只有当同步状态为0时，锁成功被释放，返回true
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
// 3. 锁未被完全释放，返回false
setState(c);
return free;
}1.2 公平锁与非公平锁
ReentrantLock 支持两种锁：公平锁与非公平锁。
公平性：如果一个锁是公平的没那么锁的获取顺序就应该符合请求上的绝对时间顺序，满足FIFO。
公平锁构造方法：
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
非公平锁构造方法：传入一个fair的boolean值，true时为公平锁，false时为非公平锁。
public ReentrantLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}
公平锁的核心逻辑代码如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
唯一的不同在于增加了hasQueuedPredecessors的逻辑判断，方法名就可知道该方法用来判断当前节点在同步队列中是否有前驱节点的判断，如果有前驱节点说明有线程比当前线程更早的请求资源，根据公平性，当前线程请求资源失败。如果当前节点没有前驱节点的话，再才有做后面的逻辑判断的必要性。公平锁每次都是从同步队列中的第一个节点获取到锁，而非公平性锁则不一定，有可能刚释放锁的线程能再次获取到锁。
总结：
公平锁每次获取到锁为同步队列中的第一个节点，保证请求资源时间上的绝对顺序，而非公平锁有可能刚释放锁的线程下次继续获取该锁，则有可能导致其他线程永远无法获取到锁，造成“饥饿”现象。
公平锁为了保证时间上的绝对顺序，需要频繁的上下文切换，而非公平锁会降低一定的上下文切换，降低性能开销。因此，ReentrantLock默认选择的是非公平锁，则是为了减少一部分上下文切换，保证了系统更大的吞吐量。
二. ReentrantReadWriteLock读写锁
针对读多写少的情况，Java提供了另一个实现Lock接口的ReentrantReadWrite读写锁。
读写锁允许同一时刻被多个读线程方位，但是在写线程访问的时候，所有读线程和其他写线程都会被阻塞。
- 公平性选择：支持非公平性（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平；
- 重入性：支持重入，读锁获取后能再次获取，写锁获取之后能够再次获取写锁，同时也能够获取读锁；
- 锁降级：遵循获取写锁，获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁
2.1 WriteLock写锁
写锁的获取：
在同一时刻写锁是不能被多个线程锁获取的，写锁是独占式锁，通过重写AQS中的tryAcquire方法实现：
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();
// 1. 获取写锁当前的同步状态
int c = getState();
// 2. 获取写锁获取的次数
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
// 3.1 当读锁已被读线程获取或者当前线程不是已经获取写锁的线程的话
// 当前线程获取写锁失败
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
// 3.2 当前线程获取写锁，支持可重复加锁
setState(c + acquires);
return true;
}
// 3.3 写锁未被任何线程获取，当前线程可获取写锁
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
其中EXCLUSIVE_MASK为: static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
该方法是返回写锁被获取的次数。
同步状态的低16位用来表示写锁的获取次数
同步状态的高16位用来表示读锁被获取的次数
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
该方法是返回读锁被获取的次数。
tryAcquire，其主要逻辑为：当读锁已经被读线程获取或者写锁已经被其他写线程获取，则写锁获取失败；否则，获取成功并支持重入，增加写状态。
写锁的释放：
写锁通过重写AQS的tryRelease方法实现释放：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//1. 同步状态减去写状态
int nextc = getState() - releases;
//2. 当前写状态是否为0，为0则释放写锁
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
//3. 不为0则更新同步状态
setState(nextc);
return free;
}
2.2 ReadLock读锁
读锁的获取：
读锁不是独占式锁，即同一时刻该锁可以被多个读线程获取也就是一种共享式锁。按照之前对AQS介绍，实现共享式同步组件的同步语义需要通过重写AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法。
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If write lock held by another thread, fail.
* 2. Otherwise, this thread is eligible for
* lock wrt state, so ask if it should block
* because of queue policy. If not, try
* to grant by CASing state and updating count.
* Note that step does not check for reentrant
* acquires, which is postponed to full version
* to avoid having to check hold count in
* the more typical non-reentrant case.
* 3. If step 2 fails either because thread
* apparently not eligible or CAS fails or count
* saturated, chain to version with full retry loop.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//1. 如果写锁已经被获取并且获取写锁的线程不是当前线程的话，当前
// 线程获取读锁失败返回-1
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount(c);
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
//2. 当前线程获取读锁
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//3. 下面的代码主要是新增的一些功能，比如getReadHoldCount()方法
//返回当前获取读锁的次数
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;
}
//4. 处理在第二步中CAS操作失败的自旋已经实现重入性
return fullTryAcquireShared(current);
}
代码的逻辑请看注释，需要注意的是 当写锁被其他线程获取后，读锁获取失败，否则获取成功利用CAS更新同步状态。另外，当前同步状态需要加上SHARED_UNIT（(1 << SHARED_SHIFT)即0x00010000）的原因这是我们在上面所说的同步状态的高16位用来表示读锁被获取的次数。
读锁的释放：
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 前面还是为了实现getReadHoldCount等新功能
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
for (;;) {
int c = getState();
// 读锁释放 将同步状态减去读状态即可
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// Releasing the read lock has no effect on readers,
// but it may allow waiting writers to proceed if
// both read and write locks are now free.
return nextc == 0;
}
}
2.3 锁的降级
读写锁支持锁降级，遵循按照获取写锁，获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁，不支持锁升级，关于锁降级下面的示例代码摘自ReentrantWriteReadLock源码中：
void processCachedData() {
rwl.readLock().lock();
if (!cacheValid) {
// Must release read lock before acquiring write lock
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try {
// Recheck state because another thread might have
// acquired write lock and changed state before we did.
if (!cacheValid) {
data = ...
cacheValid = true;
}
// Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
rwl.readLock().lock();
} finally {
rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
}
}
try {
use(data);
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}读写锁示例：
class RWDictionary {
private final Map m = new TreeMap();
private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock r = rwl.readLock(); //读锁
private final Lock w = rwl.writeLock(); //写锁
public Data get(String key) {
r.lock();
try { return m.get(key); }
finally { r.unlock(); }
}
public String[] allKeys() {
r.lock();
try { return m.keySet().toArray(); }
finally { r.unlock(); }
}
public Data put(String key, Data value) {
w.lock();
try { return m.put(key, value); }
finally { w.unlock(); }
}
public void clear() {
w.lock();
try { m.clear(); }
finally { w.unlock(); }
}
}
Reference
彻底理解ReentrantLock
深入理解读写锁ReentrantReadWriteLock