读写锁ReentrantReadWriteLock

介绍

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。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。

ReentrantReadWriteLock的特性：

使用

ReadWriteLock接口仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()方法，实现类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

缓存示例：

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

    /**
     * 读锁，共享锁
     */
    static Lock r = rwl.readLock();

    /**
     * 写锁，独占锁
     */
    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();
        }
    }

}

读时，加读锁线程共享读；写时，加写锁防止其他线程任何操作。

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。

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。

原理

读写状态的设计

读写状态就是其同步器的同步状态state（int类型占用4个字节，也就是32位）

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

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。

位运算可以迅速确定读和写各自的状态

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。

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。

写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排它锁。

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。

获取锁

ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
            // 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        	// 可重入 状态 + 1
            setState(c + acquires);
            return true;
    }
    if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {
            return false;
    }
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

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。因为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。

释放锁

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            int nextc = getState() - releases;
            // 写状态减至0 返回true
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
            if (free)
                setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(nextc);
            return free;
        }

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。

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。

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方法主要代码：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    for (;;) {
            int c = getState();
        	// 更新高16位读状态（+1） 位运算
            int nextc = c + (1 << 16);
            if (nextc < c)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        	// 写锁被占用并且此时占用写锁的线程不是当前线程，就返回-1
            if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
                    return -1;
            if (compareAndSetState(c, nextc)) 
                    return 1;
    }
}

如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态，成功获取读锁。

读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）均减少读状态，减少的值是（1<<16）。

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。

锁降级示例：

public void processData() {
    readLock.lock();
    if (!update) {
            // 必须先释放读锁，不释放读锁写锁是拿不到的
            readLock.unlock();
            // 锁降级从写锁获取到开始
            writeLock.lock();
            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();
    }
}

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。

读写锁不支持锁升级，支持锁降级。锁升级指的是线程获取到了读锁，在没有释放读锁的前提下，又获取写锁。锁降级指的是线程获取到了写锁，在没有释放写锁的情况下，又获取读锁。

锁降级中读锁的获取是必要的。 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。 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。