JUC并发编程之读写锁原理
1.图解流程
读写锁用的是同一个 Sycn 同步器，因此等待队列、state等也是同一个
t1 w.lock ， t2 r.lock
- t1 成功上锁，流程与 ReentrantLock 加锁相比没有特殊之处，不同的是写锁状态占了 state 的低 16 位，而读锁使用的是 state 的高 16 位
2）t2 执行 r.lock，这时进入读锁的 sync.acquireShared(1) 流程，首先会进入 tryAcquireShared 流程。如果有写锁占据，那么 tryAcquireShared 返回 -1 表示失败
tryAcquireShared 返回值表示
- -1 表示失败
- 0 表示成功，但后继节点不会继续唤醒
- 正数表示成功，而且数值是还有几个后继结点需要唤醒，读写锁返回1
3） 这时会进入 sync.doAcquireShared(1) 流程，首先也是调用 addWaiter 添加节点，不同之处在于节点被设置为 Node.SHARED 模式而非 Node.EXCLUSIVE 模式，注意此时 t2 仍处于活跃状态
4）t2 会看看自己的节点是不是老二，如果是，还会再次调用 tryAcquireShared(1) 来尝试获取锁
5）如果没有成功，在 doAcquireShared 内 for (; 循环一次，把前驱节点的 waitStatus 改为 -1，再 for (; 循环一 次尝试 tryAcquireShared(1) 如果还不成功，那么在 parkAndCheckInterrupt() 处 park
t3 r.lock ， t4 w.lock
这种状态下，假设又有 t3 加读锁和 t4 加写锁，这期间 t1 仍然持有锁
t1 w.unlock
这时会走到写锁的 sync.release(1) 流程，调用 sync.tryRelease(1) 成功
接下来执行唤醒流程 sync.unparkSuccessor，即让老二恢复运行，这时 t2 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行 这回再来一次 for (; 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一
这时 t2 已经恢复运行，接下来 t2 调用 setHeadAndPropagate(node, 1)，它原本所在节点被置为头节点
事情还没完，在 setHeadAndPropagate 方法内还会检查下一个节点是否是 shared，如果是则调用 doReleaseShared() 将 head 的状态从 -1 改为 0 并唤醒老二，这时 t3 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行
这回再来一次 for (; 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一
这时 t3 已经恢复运行，接下来 t3 调用 setHeadAndPropagate(node, 1)，它原本所在节点被置为头节点
下一个节点不是 shared 了，因此不会继续唤醒 t4 所在节点
t2 r.unlock，t3 r.unlock
t2 进入 sync.releaseShared(1) 中，调用 tryReleaseShared(1) 让计数 -1，但由于计数还不为零
t3 进入 sync.releaseShared(1) 中，调用 tryReleaseShared(1) 让计数减一，这回计数为零了，进入 doReleaseShared() 将头节点从 -1 改为 0 并唤醒老二，即
之后 t4 在 acquireQueued 中 parkAndCheckInterrupt 处恢复运行，再次 for (; 这次自己是老二，并且没有其他 竞争，tryAcquire(1) 成功，修改头结点，流程结束
2. 源码分析(默认非公平锁)
写锁上锁流程
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
// WriteLock 方法
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
// AQS 继承过来的
public final void acquire(int arg) {
if (
// 尝试获得写锁失败
!tryAcquire(arg) &&
// 将当前线程关联到 一个 Node 对象上，模式为独占模式
// 进入 AQS 队列堵塞
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
// Sync 继承过来的方法
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
// 获得 低 16 位，代表写锁的 state 计数
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
if (
// c!=0 and w==0 表示有读锁，或者
w == 0 ||
// 如果 exclusiveOwnerThread 不是自己
current != getExclusiveOwnerThread())
// 获得锁失败
return false;
// 写锁计数超过低 16 位, 报异常
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 写锁重入, 获得锁成功
setState(c + acquires);
return true;
}
if (
// 判断写锁是否该阻塞, 或者
writerShouldBlock() ||
// 尝试更改计数失败
!compareAndSetState(c, c + acquires))
// 获得锁失败
return false;
// 获得锁成功
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
// 非公平锁 writerShouldBlock 总是返回 false, 无需阻塞
final boolean writerShouldBlock() {
return false; // writers can always barge
}
写锁释放流程
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
// WriteLock 方法
public void unlock() {
sync.release(1);
}
// AQS 继承的方法
public final boolean release(int arg) {
// 尝试释放写锁成功
if (tryRelease(arg)) {
// unpark AQS 中等待的线程
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
// Sync 继承的方法
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
// 因为可重入的原因, 写锁计数为 0, 才算释放成功
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
读锁上锁流程
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
// ReadLock 方法
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
// AQS 继承过来的
public final void acquireShared(int arg) {
// tryAcquireShared返回负数，表示获取读锁失败
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
// Sync 继承归来的方法
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 如果是其他线程持有写锁，获取读锁失败
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount(c);
if (
// 读锁不该阻塞（如果老二是写锁，读锁该阻塞），并且
!readerShouldBlock() &&
// 小于读锁计时，并且
r < MAX_COUNT &&
// 尝试增加计数成功
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);
}
// 非公平锁 readerShouldBlock 看 AQS 队列中第一个节点是否是写锁
// true 该阻塞 false 则不阻塞
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
// 从Sync 继承的方法
// 与 tryAcquireShared 功能类似，但会不断尝试 for(;;) 获取读锁，执行过程无阻塞
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
} else if (readerShouldBlock()) {
if (firstReader == current) {
} else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh;
}
return 1;
}
}
}
// AQS 继承的方法
private void doAcquireShared(int arg) {
// 将当前线程关联到一个 Node 对象，模式为共享模式
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
// r 表示可用资源， 在这里总是 1 允许传播
// （唤醒 AQS 中下一个 Share 节点）
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (
// 是否在获取读锁失败时阻塞（前一个阶段 waitStatus == Node.SIGNAL）
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
// park 当前线程
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// 从 AQS 集成的方法
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
Node h = head;
// 设置自己为 head
setHead(node);
// propagate 表示有共享资源（如共享读锁或者信号量）
// 原 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
// 现在 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
(h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
Node s = node.next;
// 如果是最后一个节点或者是等待共享读锁的节点
if (s == null || s.isShared())
// 进入
doReleaseShared();
}
}
// 从 AQS 继承的方法
private void doReleaseShared() {
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功，下一个节点unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE 成功，为了解决 bug, 见后面分析
for (;;) {
Node h = head;
// 队列还有节点
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
// 下一个节点 unpark 如果成功获取读锁
// 并且下下个节点还是 shared, 继续 doReleaseShared
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
读锁释放流程
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
// ReadLock 方法
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
// AQS 继承的
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
// Sync 继承的方法
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;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 读锁的计数不会影响其它获取读锁线程, 但会影响其它获取写锁线程
// 计数为 0 才是真正释放
return nextc == 0;
}
}
// AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
private void doReleaseShared() {
// 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
// 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
// 如果有其它线程也在释放读锁，那么需要将 waitStatus 先改为 0
// 防止 unparkSuccessor 被多次执行
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
// 如果已经是0了，改为-3，用来解决传播性
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue;
}
if (h == head)
break;
}
}