java读写锁的实现,关于java:Java中读写锁的设计以及实现

针对读多写少的场景，Java提供了另外一个实现Lock接口的读写锁ReentrantReadWriteLock(RRW),之前剖析过ReentrantLock是一个独占锁，同一时间只容许一个线程拜访。

而 RRW 容许多个读线程同时拜访，但不容许写线程和读线程、写线程和写线程同时拜访。

读写锁外部保护了两个锁，一个是用于读操作的ReadLock，一个是用于写操作的 WriteLock。

读写锁恪守以下三条根本准则

容许多个线程同时读共享变量；

只容许一个线程写共享变量；

如果一个写线程正在执行写操作，此时禁止读线程读共享变量。

读写锁如何实现

RRW也是基于AQS实现的，它的自定义同步器(继承自AQS)须要在同步状态state上保护多个读线程和一个写线程的状态。RRW的做法是应用高下位来实现一个整形管制两种状态，一个int占4个字节，一个字节8位。所以高16位示意读，低16位示意写。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

static final int SHARED_SHIFT = 16;

// 10000000000000000(65536)

static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);

// 65535

static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

//1111111111111111

static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

// 读锁(共享锁)的数量,只计算高16位的值

static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }

// 写锁(独占锁)的数量

static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

}

获取读锁

当线程获取读锁时，首先判断同步状态低16位，如果存在写锁，则获取锁失败，进入CLH队列阻塞，反之，判断以后线程是否应该被阻塞，如果不应该阻塞则尝试 CAS 同步状态，获取胜利更新同步锁为读状态。

protected final int tryAcquireShared(int unused) {

Thread current = Thread.currentThread();

int c = getState();

// 如果以后曾经有写锁了，则获取失败

if (exclusiveCount(c) != 0 &&

getExclusiveOwnerThread() != current)

return -1;

// 获取读锁数量

int r = sharedCount(c);

// 非偏心锁实现中readerShouldBlock()返回true示意CLH队列中有正在排队的写锁

// CAS设置读锁的状态值

if (!readerShouldBlock() &&

r < MAX_COUNT &&

compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

// 省略记录获取readLock次数的代码

return 1;

}

// 针对下面失败的条件进行再次解决

return fullTryAcquireShared(current);

}

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {

// 无线循环

for (;;) {

int c = getState();

if (exclusiveCount(c) != 0) {

// 如果不是以后线程持有写锁，则进入CLH队列阻塞

if (getExclusiveOwnerThread() != current)

return -1;

}

// 如果reader应该被阻塞

else if (readerShouldBlock()) {

// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly

if (firstReader == current) {

// assert firstReaderHoldCount > 0;

} else {

if (rh == null) {

rh = cachedHoldCounter;

if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {

rh = readHolds.get();

if (rh.count == 0)

readHolds.remove();

}

}

// 以后线程没有持有读锁，即不存在锁重入状况。则进入CLH队列阻塞

if (rh.count == 0)

return -1;

}

}

// 共享锁的如果超出了限度

if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

// CAS设置状态值

if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

// 省略记录readLock次数的代码

return 1;

}

}

}

SHARED_UNIT的值是65536，也就是说，当第一次获取读锁的后，state的值就变成了65536。

在偏心锁的实现中当CLH队列中有排队的线程，readerShouldBlock()办法就会返回为true。非偏心锁的实现中则是当CLH队列中存在期待获取写锁的线程就返回true

还须要留神的是获取读锁的时候，如果以后线程曾经持有写锁，是依然能获取读锁胜利的。前面会提到锁的降级，如果你对那里的代码有疑难，能够在回过头来看看这里申请锁的代码

开释读锁

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {

for (;;) {

int c = getState();

// 减去65536

int nextc = c - SHARED_UNIT;

// 只有当state的值变成0才会真正的开释锁

if (compareAndSetState(c, nextc))

return nextc == 0;

}

}

开释锁时，state的值须要减去65536，因为当第一次获取读锁后，state值变成了65536。

任何一个线程开释读锁的时候只有在state==0的时候才真正开释了锁，比方有100个线程获取了读锁，只有最初一个线程执行tryReleaseShared办法时才真正开释了锁，此时会唤醒CLH队列中的排队线程。

获取写锁

一个线程尝试获取写锁时，会先判断同步状态 state 是否为0。如果 state 等于 0，阐明临时没有其它线程获取锁；如果 state 不等于 0，则阐明有其它线程获取了锁。

此时再判断state的低16位(w)是否为0，如果w为0，示意其余线程获取了读锁，此时进入CLH队列进行阻塞期待。

如果w不为0，则阐明其余线程获取了写锁，此时须要判断获取了写锁的是不是以后线程，如果不是则进入CLH队列进行阻塞期待，如果获取了写锁的是以后线程，则判断以后线程获取写锁是否超过了最大次数，若超过，抛出异样。反之则更新同步状态。

// 获取写锁

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

Thread current = Thread.currentThread();

int c = getState();

int w = exclusiveCount(c);

// 判断state是否为0

if (c != 0) {

// 获取锁失败

if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())

return false;

// 判断以后线程获取写锁是否超出了最大次数65535

if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

// 锁重入

setState(c + acquires);

return true;

}

// 非偏心锁实现中writerShouldBlock()永远返回为false

// CAS批改state的值

if (writerShouldBlock() ||

!compareAndSetState(c, c + acquires))

return false;

// CAS胜利后，设置以后线程为领有独占锁的线程

setExclusiveOwnerThread(current);

return true;

}

在偏心锁的实现中当CLH队列中存在排队的线程,那么writerShouldBlock()办法就会返回为true，此时获取写锁的线程就会被阻塞。

开释写锁

开释写锁的逻辑比较简单

protected final boolean tryRelease(int releases) {

// 写锁是否被以后线程持有

if (!isHeldExclusively())

throw new IllegalMonitorStateException();

int nextc = getState() - releases;

boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;

// 没有其余线程持有写锁

if (free)

setExclusiveOwnerThread(null);

setState(nextc);

return free;

}

锁的降级？

// 筹备读缓存

readLock.lock();

try {

v = map.get(key);

if(v == null) {

writeLock.lock();

try {

if(map.get(key) != null) {

return map.get(key);

}

// 更新缓存代码，省略

} finally {

writeLock.unlock();

}

}

} finally {

readLock.unlock();

}

对于下面获取缓存数据(这也是RRW的利用场景)的代码，先是获取读锁，而后再降级为写锁，这样的行为叫做锁的降级。惋惜RRW不反对，这样会导致写锁永恒期待，最终导致线程被永恒阻塞。所以锁的降级是不容许的。

锁的降级

尽管锁的降级不容许，然而锁的降级却是能够的。

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

ReadLock readLock = lock.readLock();

WriteLock writeLock = lock.writeLock();

Map dataMap = new HashMap();

public void processCacheData() {

readLock.lock();

if(!cacheValid()) {

// 开释读锁，因为不容许

readLock.unlock();

writeLock.lock();

try {

if(!cacheValid()) {

dataMap.put("key", "think123");

}

// 降级为读锁

readLock.lock();

} finally {

writeLock.unlock();

}

}

try {

// 依然持有读锁

System.out.println(dataMap);

} finally {

readLock.unlock();

}

}

public boolean cacheValid() {

return !dataMap.isEmpty();

}

RRW须要留神的问题

在读取很多、写入很少的状况下，RRW 会使写入线程遭逢饥饿(Starvation)问题，也就是说写入线程会因迟迟无奈竞争到锁而始终处于期待状态。

写锁反对条件变量，读锁不反对。读锁调用newCondition() 会抛出UnsupportedOperationException 异样

举荐浏览

之前有写过AQS的实现，ReentrantLock的实现，能够参考我上面的文章

AQS源码剖析

ReentrantLock剖析

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