JAVA并发-读写锁

读写锁

不同于互斥锁和重入锁，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。

读写锁在实现多线程同时读，写线程阻塞所有其它读写线程的功能时，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。在读多写少的情况下，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，它提供的特性如下表所示：

特性	说明
公平性选择	支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量方面非公平优于公平
重进入	该锁支持重进入,以读写线程为例: 读线程在获取了读锁之后,能够再次获取读锁。 而写线程在获取了写锁之后能够再次获取写锁,同时也可以获取读锁
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

一、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，而其实现——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，这些方法以及描述如下：

 	/**
	 * Queries the number of read locks held for this lock. This
	 * method is designed for use in monitoring system state, not for
	 * synchronization control.
	 * @return the number of read locks held
	 */
	public int getReadLockCount() {
		//该次数不等于获取读锁的线程数, 因为同一线程可能多次获取读锁, 该值会不断累加
	    return sync.getReadLockCount();
	}
	/**
	 * Queries if the write lock is held by any thread. This method is
	 * designed for use in monitoring system state, not for
	 * synchronization control.
	 *
	 * @return {@code true} if any thread holds the write lock and
	 *         {@code false} otherwise
	 */
	public boolean isWriteLocked() {
	    return sync.isWriteLocked();
	}
	/**
	 * Queries if the write lock is held by the current thread.
	 *
	 * @return {@code true} if the current thread holds the write lock and
	 *         {@code false} otherwise
	 */
	public boolean isWriteLockedByCurrentThread() {
	    return sync.isHeldExclusively();
	}
	/**
	 * Queries the number of reentrant write holds on this lock by the
	 * current thread.  A writer thread has a hold on a lock for
	 * each lock action that is not matched by an unlock action.
	 *
	 * @return the number of holds on the write lock by the current thread,
	 *         or zero if the write lock is not held by the current thread
	 */
	public int getWriteHoldCount() {
	    return sync.getWriteHoldCount();
	}
	/**
	 * Queries the number of reentrant read holds on this lock by the
	 * current thread.  A reader thread has a hold on a lock for
	 * each lock action that is not matched by an unlock action.
	 *
	 * @return the number of holds on the read lock by the current thread,
	 *         or zero if the read lock is not held by the current thread
	 * @since 1.6
	 */
	public int getReadHoldCount() {
	    return sync.getReadHoldCount();
	}

接下来，通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，示例代码如下：

public class Cache {
    static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
    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。

二、读写锁的实现分析

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。 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，划分方式如下图所示：

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. 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，ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法源码如下：

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();
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
        // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
        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。

4. 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。ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法源码如下：

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();
    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);
}

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    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();
        int nextc = c - SHARED_UNIT; // (1 << 16)
        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;
    }
}

5. 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。

下面是一个锁降级的示例，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，示例方法代码如下：

public void processData() {
    readLock.lock();
    if (!update) {
        readLock.unlock();// 必须先释放读锁
        writeLock.lock(); // 锁降级从写锁获取到开始
        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。

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参考《java并发编程的艺术》-方腾飞