高并发编程-ReentrantReadWriteLock深入解析
要点解说
ReentrantLock在并发情况下只允许单个线程执行受保护的代码，而在大部分应用中都是读多写少，所以，如果使用ReentrantLock实现这种对共享数据的并发访问控制，将严重影响整体的性能。ReentrantReadWriteLock中提供的读取锁(ReadLock)可以实现并发访问下的多读，写入锁(WriteLock)可以实现每次只允许一个写操作。但是，在它的实现中，读、写是互斥的，即允许多读，但是不允许读写和写读同时发生。
实例演示
public class ReentrantReadWriteLockExample {
private final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock readLock = readWriteLock.readLock();
private final Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
public String get(String key) {
readLock.lock();
try {
//省略读取代码
return "xxx";
} finally {
readLock.unlock();
}
}
public void put(String key, String value) {
writeLock.lock();
try {
//省略写入操作
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
}方法解析
ReentrantReadWriteLock类中重要的还是在它内部实现的ReadLock类和WriteLock类的方法，本篇将重点分析它们俩提供的常用方法。
ReentrantReadWriteLock类
ReentrantReadWriteLock()：使用非公平策略创建一个ReentrantReadWriteLock对象；
ReentrantReadWriteLock(boolean fair)：根据指定的策略参数fair创建一个ReentrantReadWriteLock对象；
readLock()：返回用于读取操作的锁；
writeLock()： 返回用于写入操作的锁。
ReadLock类
ReentrantReadWriteLock.ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock)：使用ReentrantReadWriteLock创建ReadLock对象；
lock()：获取读操作锁，如果写入锁没有被其它线程持有，则立即获取读取锁，否则当前线程阻塞直到获取读取锁；
unlock()：释放读操作锁，同时唤醒其它等待获取该锁的线程；
tryLock()：尝试获取读操作锁，如果写入锁没有被其它线程持有，则立即获取读取锁并返回true值，否则立即返回false值；
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的等待时间内尝试获取读操作锁，如果写入锁没有被其它线程持有，并且当前线程未被中断，则立即获取读取锁并返回true值，否则当前线程阻塞直到等待时间结束并返回false。
WriteLock类
ReentrantReadWriteLock.WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock)：使用ReentrantReadWriteLock创建WriteLock对象；
lock()：当前线程获取写入锁时，如果其它线程既没有持有读取锁也没有持有写入锁，则可以获取写入锁并立即返回，并将写入锁持有计数设置为1；如果当前线程已经持有写入锁，则写入锁计数增加1，该方法立即返回；如果锁被其它线程持有，当前线程阻塞直到获取写入锁；
tryLock()：当前线程获取写入锁时，如果其它线程既没有持有读取锁也没有持有写入锁，则可以获取写入锁并立即返回，并将写入锁持有计数设置为1；如果当前线程已经持有写入锁，则写入锁计数增加1，该方法立即返回；如果锁被其它线程持有，立即返回false值；
tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：在指定的等待时间内尝试获取写操作锁，如果其它线程既没有持有读取锁也没有持有写入锁，并且当前线程未被中断，则可以获取写入锁并立即返回，并将写入锁持有计数设置为1；如果当前线程已经持有此锁，则将持有计数加1，该方法将返回true值；否则当前线程阻塞直到等待时间结束并返回false；
unlock()：如果当前线程持有此锁，则将持有计数减1；如果持有计数等于0，则释放该锁，同时唤醒其它等待获取该锁的线程；如果当前线程不是此锁的持有者，则抛出 IllegalMonitorStateException。
源码解析
首先，看一下ReentrantReadWriteLock类有哪些属性和构造函数，具体代码如下。
public class ReentrantReadWriteLock
implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
//ReadLock是ReentrantReadWriteLock中的静态内部类，它是读取锁的实现
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
//WriteLock是ReentrantReadWriteLock中的静态内部类，它是写入锁的实现
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
//Sync是ReentrantReadWriteLock中的静态内部类，它继承了AQS
//它是读写锁实现的重点，后面深入分析
final Sync sync;
//默认使用非公平策略创建对象
public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
//根据指定策略参数创建对象
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
//FairSync和NonfairSync都继承自Sync，它们主要提供了对读写是否需要被阻塞的检查方法
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
}上面的代码中介绍到Sync类是重点代码，这里先看它的部分重点源码。
//继承了AQS
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//常量值
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//左移16位后，二进制值是10000000000000000，十进制值是65536
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
//左移16位后再减一，十进制值是65535
//这个常量值用于标识最多支持65535个递归写入锁或65535个读取锁
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//左移16位后再减一，二进制值是1111111111111111
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//用于计算持有读取锁的线程数
static int sharedCount(int c) {
//无符号右移动16位
//如果c是32位，无符号右移后，得到是高16位的值
return c >>> SHARED_SHIFT;
}
//用于计算写入锁的重入次数
static int exclusiveCount(int c) {
//如果c是32位，和1111111111111111做&运算，得到的低16位的值
return c & EXCLUSIVE_MASK;
}
//用于每个线程持有读取锁的计数
static final class HoldCounter {
//每个线程持有读取锁的计数
int count = 0;
//当前持有读取锁的线程ID
//这里使用线程ID而没有使用引用，避免垃圾收集器保留，导致无法回收
final long tid = Thread.currentThread().getId();
}
//通过ThreadLocal维护每个线程的HoldCounter
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal {
//这里重写了ThreadLocal的initialValue方法
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}
//当前线程持有的可重入读取锁的数量，仅在构造方法和readObject方法中被初始化
//当持有锁的数量为0时，移除此对象
private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
//成功获取读取锁的最近一个线程的计数
private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
//第一个获得读锁的线程
private transient Thread firstReader = null;
//第一个获得读锁的线程持有读取锁的次数
private transient int firstReaderHoldCount;
Sync() {
//构建每个线程的HoldCounter
readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
setState(getState()); // ensures visibility of readHolds
}
} Sync继承自AQS，Sync使用AQS中的state属性来代表锁的状态，这个state二进制值被设计成32位，其中高16位用作读取锁，低16位用作写入锁。所以，如果要计算持有读取锁的线程数，只要将state二进制值无符号右移动16位；如果要计算写入锁的重入次数，只要将state二进制值和1111111111111111做&运算。
ReadLock源码解析
下面开始分析读取锁ReadLock的实现原理，先看一下它的构造函数源码。
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
//通过ReentrantReadWriteLock对象构建ReadLock
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
//在ReentrantReadWriteLock构造函数中会根据fair参数值选择FairSync或NonfairSync创建不同的对象
//所以，这里赋值给sync的可能是FairSync类的对象，也可能是NonfairSync类的对象
sync = lock.sync;
}
}FairSync和NonfairSync都继承自Sync，不同点是各自实现了对读写是否需要被阻塞的检查方法，这里不做深入分析。
对于lock()方法，如果写入锁没有被其它线程持有，则立即获取读取锁，否则当前线程阻塞直到获取读取锁，具体代码如下。
public void lock() {
//调用AQS的acquireShared方法
sync.acquireShared(1);
}
//AQS的acquireShared方法
public final void acquireShared(int arg) {
//尝试获取读取锁
//tryAcquireShared方法返回值小于0，则获取失败
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
//AQS中的方法，用于排队尝试再次获取读取锁
doAcquireShared(arg);
}
//ReentrantReadWriteLock类的tryAcquireShared方法
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
//获取当前线程
Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前AQS中state值
int c = getState();
//使用exclusiveCount方法计算写入锁是否被持有
//如果exclusiveCount(c)结果不等于0，即写入锁被持有，并且持有写入锁的线程不是当前线程
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
//返回-1
return -1;
//使用sharedCount方法计算读取锁被持有的线程数
int r = sharedCount(c);
//如果当先线程不需要被阻塞，并且持有读取锁的线程数没有超过最大值，并且使用CAS更新读取锁线程数量成功。
//readerShouldBlock方法用于判断当先线程是否需要被阻塞，它在FairSync和NonfairSync中的实现各不同，
//FairSync中实现是如果有其它线程在当前线程之前等待获取读取锁，则当前线程应该被阻塞并返回true，否则返回false；
//NonfairSync中实现是如果等待队列的第一个节点的线程等待获取写入锁，则当前线程应该被阻塞并返回true，否则返回false；
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//如果读取锁被持有的线程数等于0
if (r == 0) {
//则表示当前线程是第一个获取读取锁的
firstReader = current;
//第一个获得读锁的线程持有读取锁的次数赋值为1
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
//如果读取锁被持有的线程数不等于0，并且当前线程是第一个获取读取锁的
//则将持有读取锁的次数加1
firstReaderHoldCount++;
} else {
//将当先线程持有读取锁的次数信息，放入线程本地变量中
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
//成功获取读取锁，返回1
return 1;
}
//如果当前线程需要被阻塞，或持有读取锁的线程数超过最大值，或使用CAS更新读取锁线程数量失败
//通过自旋的方式解决这三种获取锁失败的情况
return fullTryAcquireShared(current);
}
//ReentrantReadWriteLock类的fullTryAcquireShared方法
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
//自旋
for (;;) {
//当前锁状态值
int c = getState();
//如果写入锁被线程持有
if (exclusiveCount(c) != 0) {
//并且写入锁的持有者不是当前线程，则返回-1，获取锁失败
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// else we hold the exclusive lock; blocking here
// would cause deadlock.
//如果当前线程应该被阻塞
} else if (readerShouldBlock()) {
// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else {
//如果最近一次获取读取锁的线程或从上下文中获取的当前线程，持有的锁记录数等于0，
//则返回-1获取读取锁失败
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId()) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
//如果持有读取锁的线程数等于最大值
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//如果使用CAS更新读取锁线程数量成功
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//更新线程持有的锁次数
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}
//AQS中的doAcquireShared方法
private void doAcquireShared(int arg) {
//根据当前线程创建一个共享模式的Node节点
//并把这个节点添加到等待队列的尾部
//AQS等待队列不熟悉的可以查看AQS深入解析的内容
//addWaiter方法的解析在其它篇幅已经分析过，这里不再深入分析
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
//通过自旋尝试获取读取锁
for (;;) {
//获取新建节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果前驱节点是头结点
if (p == head) {
//尝试获取读取锁
int r = tryAcquireShared(arg);
//获取到读取锁
if (r >= 0) {
//将前驱节点从等待队列中释放
//同时使用LockSupport.unpark方法唤醒前驱节点的后继节点中的线程
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
//当前节点的前驱节点不是头结点，或不可以获取到锁
//shouldParkAfterFailedAcquire方法检查当前节点在获取锁失败后是否要被阻塞
//如果shouldParkAfterFailedAcquire方法执行结果是当前节点线程需要被阻塞，则执行parkAndCheckInterrupt方法阻塞当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}对于unlock()方法用于释放当前线程持有的读取锁，具体实现是先修改线程持有的读取锁的计数数量，然后通过自旋方式使用CAS修改锁状态高16位值为当前值减1，最后如果锁状态值等于0，即既没有写入锁，也没有读取锁被线程持有，则唤醒等待队列中等待获取锁的线程。具体源码分析如下。
//ReadLock类中的unlock方法
public void unlock() {
//调用AQS中的releaseShared方法
sync.releaseShared(1);
}
//AQS中的releaseShared方法
public final boolean releaseShared(int arg) {
//这里调用了ReentrantReadWriteLock类的tryReleaseShared方法
//在这个方法中做了如下两件事：
//1.修改当前线程持有的读取锁的计数数量，计数数量减一
//2.修改锁状态值的高16位值(读取锁的值)，值减一，并且返回锁状态值是否等于0
if (tryReleaseShared(arg)) {
//如果锁状态值等于0，即既没有写入锁，也没有读取锁被线程持有，执行doReleaseShared
//这里调用的是AQS中的doReleaseShared方法
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
//ReentrantReadWriteLock类的tryReleaseShared方法
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 如果当前线程是第一个获取读取锁的线程
if (firstReader == current) {
// 第一个获取读取锁的线程持有的读取锁的次数等于1
if (firstReaderHoldCount == 1)
//要释放掉，所以置为null
firstReader = null;
else
//否则，直接将线程持有的读取锁的次数减一
firstReaderHoldCount--;
} else{
//最近一次成功获取读取锁的线程和计数信息
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
//如果取得的rh==null或它里面记录的不是当前线程的信息，
//则直接从上下文中获取当前线程的线程和计数信息
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
//当前线程持有读取锁的次数
int count = rh.count;
//如果次数小于等于1，则从上下文中移除
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
//如果次数小于等于0，则抛出异常，因为不符合是否锁的条件
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
//将线程持有读取锁的次数减一
--rh.count;
}
for (;;) {
//获取锁状态值
int c = getState();
//这里转换成二进制计算，是将高16位减1
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
//如果既没有写入锁，也没有读取锁被线程持有，则返回true
return nextc == 0;
}
}
//AQS中的doReleaseShared方法
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
//等待队列的头结点
Node h = head;
//如果头结点存在，并且有后继节点
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
//如果head指向的节点状态可以被唤醒
if (ws == Node.SIGNAL) {
//使用CAS更新节点的等待状态
//如果不成功则继续循环，通过循环来保证更新成功
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
//更新成功，则唤醒节点对应的线程
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}WriteLock源码解析
下面开始分析写入锁WriteLock的实现原理，先看一下它的构造函数源码。
public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {
private final Sync sync;
//通过ReentrantReadWriteLock对象构建
protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
//在ReentrantReadWriteLock构造函数中会根据fair参数值选择FairSync或NonfairSync创建不同的对象
//所以，这里赋值给sync的可能是FairSync类的对象，也可能是NonfairSync类的对象
sync = lock.sync;
}
}FairSync和NonfairSync都继承自Sync，不同点是各自实现了对读写是否需要被阻塞的检查方法，这里不做深入分析。
对于lock()方法，如果其它线程既没有持有读取锁也没有持有写入锁，则可以获取写入锁并立即返回，并将写入锁持有计数设置为1；如果当前线程已经持有写入锁，则写入锁计数增加1，该方法立即返回；如果锁被其它线程持有，当前线程阻塞直到获取写入锁。具体代码如下。
public void lock() {
//调用AQS中的acquire方法
sync.acquire(1);
}
//AQS中的acquire方法
public final void acquire(int arg) {
//调用Sync类中重写的tryAcquire方法尝试获取写入锁；
//如果tryAcquire方法返回true，则获取成功；
//如果tryAcquire方法返回false，则获取失败，继续执行acquireQueued方法；
//addWaiter方法根据当前线程创建一个独占模式的Node节点
//并把这个节点添加到等待队列的尾部
//AQS等待队列不熟悉的可以查看AQS深入解析的内容
//addWaiter方法的解析在其它篇幅已经分析过，这里不再深入分析
//acquireQueued方法通过排队方式再次获取写入锁
//acquireQueued方法中如果可以获取锁，则返回false，否则返回true
//如果tryAcquire方法获取不到锁返回false，且acquireQueued方法也获取不到锁返回true
//则中断当前线程
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
//中断当前线程
selfInterrupt();
}
//Sync类中的tryAcquire
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//获取当前线程
Thread current = Thread.currentThread();
//获取当前锁的状态值
int c = getState();
//使用exclusiveCount方法计算写入锁的重入次数
int w = exclusiveCount(c);
//如果锁状态不等于0，则表示存在写入锁或读取锁
if (c != 0) {
// w等于0表示不存在写入锁，那就存在读取锁
// 或者存在写入锁，但是不是当前线程持有的，则返回false获取失败
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
// 如果当前线程已经持有写入锁，并且即将重入的次数超过最大65535次，则抛出Error
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 如果重入次数不超限，则修改锁状态值
setState(c + acquires);
//返回获取成功
return true;
}
//如果锁状态值等于0，则表示不存在写入锁，也不存在读取锁；
//通过writerShouldBlock方法判断当前线程是否需要被阻塞；
//writerShouldBlock在FairSync类和NonfairSync类中有不同的实现；
//FairSync中实现是如果有其它线程在当前线程之前等待获取写入锁，则当前线程应该被阻塞并返回true，否则返回false；
//NonfairSync中实现是直接返回false，也就是不排队，竞争获取；
//如果writerShouldBlock方法结果是true，则表示当前线程需要被阻塞，此时直接返回false获取失败；
//如果writerShouldBlock方法结果是false，将使用CAS修改锁状态值，修改失败则返回false获取失败，
//修改成功则设置当前线程持有写入锁。
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
//设置当前线程持有写入锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
//addWaiter方法继承自AQS
//将当前线程封装成Node节点，并将这个Node节点插入到同步等待队列的尾部
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}
//acquireQueued方法继承自AQS
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//获取当前节点的前驱节点
final Node p = node.predecessor();
//如果当前节点的前驱节点是头结点，并且可以获取到锁，跳出循环并返回false
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//当前节点的前驱节点不是头结点，或不可以获取到锁
//shouldParkAfterFailedAcquire方法检查当前节点在获取锁失败后是否要被阻塞
//如果shouldParkAfterFailedAcquire方法执行结果是当前节点线程需要被阻塞，
//则执行parkAndCheckInterrupt方法阻塞当前线程
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
//parkAndCheckInterrupt方法继承自AQS，用于阻塞当前线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
//阻塞当前线程，当前线程执行到这里即被挂起，等待被唤醒
//当当前节点的线程被唤醒的时候，会继续尝试获取锁
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}对于unlock()方法用于释放当前线程持有的写入锁，如果当前线程持有此锁，则将持有计数减1；如果持有计数等于0，则释放该锁，同时唤醒其它等待获取该锁的线程；如果当前线程不是此锁的持有者，则抛出IllegalMonitorStateException。具体源码分析如下。
public void unlock() {
//调用AQS中的release方法
sync.release(1);
}
//AQS中的release方法释放持有的写入锁
public final boolean release(int arg) {
//通过tryRelease方法修改写入锁状态值，
//并返回是否还存在写入锁被持有；
if (tryRelease(arg)) {
//如果不存在写入锁被持有，
//则唤醒等待队列等待获取锁的线程
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
//如果存在写入锁被持有，则直接返回false
return false;
}
//Sync中重写的tryRelease方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//如果当前线程没有持有写入锁，则抛出IllegalMonitorStateException
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//计算锁释放后的锁状态值
int nextc = getState() - releases;
//使用exclusiveCount方法计算写入锁的值
//判断是否还存在写入锁被持有
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
//如果不存在写入锁被线程持有，则设置写入锁持有线程为null
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
//修改锁状态值
setState(nextc);
//返回是否还存在写入锁被持有
return free;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
//判断当前线程是否持有写入锁
//若持有，则返回true，否则返回false
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
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