ReadWriteLock的实现_readwritelock.wait

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前言

ReadWriteLock的实现

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一、ReadWriteLock什么？

维护一对关联锁，一个只用于读操作，一个只用于写操作；读锁可以由多个读线程同时持有，写锁是排他的。同一时间两把锁不能被不同线程持有。

二、ReadWriteLock的实现过程

ReadWriteLock的多个重要参数：readcount读计数器，writecount写计数器（重入次数记录），owner（记录写线程），waiters（等待队列）
示意图：

1.写锁的实现过程

假设：t1线程为写线程，还有t2读、t3读等线程；
写锁：t1需要抢锁先去判断,readcount是否为0（读写锁不能同时存在）；readcount=0那么判断writecount是否为0，如果writecount=0，则通过CAS操作将writecount改为1，并将owner改为当前线程；如果writecount>0则，判断owner是否为当前线程，如果owner=当前线程，则writecount+1，否则线程挂起进入等待队列。如果readcount>0则线程挂起进入等待队列。解锁时：判断当前线程是否等于owner，等于则writecount-1，当writecount减为0时，修改owner为空，并唤醒等待队列头部的线程；不等于则挂起线程。
（线程等待队列：t2读、t3读）

2.读锁的实现过程

（线程等待队列：t2读、t3读）
读锁：t2线程被唤醒需要抢锁，首先判断writecount是否为0，如果writecount>0则t2挂起，writecount=0则readcount+1，并且唤醒等待队列头部的线程t3，t3重复t2的抢锁步骤，那么当t3唤醒等待队列中的t4时，t4是写锁，会先获取readcount的值，然后重复写锁的抢锁过程，最后t4会挂起，直到读锁释放，进入下一轮抢锁。

代码如下（示例）：

 volatile AtomicInteger readCount = new AtomicInteger(0);
    AtomicInteger writeCount = new AtomicInteger(0);

    //独占锁 拥有者
    AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();

    //等待队列
    public volatile LinkedBlockingQueue<WaitNode> waiters = new LinkedBlockingQueue<WaitNode>();
    class WaitNode{
        int type = 0;   //0 为想获取独占锁的线程，  1为想获取共享锁的线程
        Thread thread = null;
        int arg = 0;

        public WaitNode(Thread thread, int type, int arg){
            this.thread = thread;
            this.type = type;
            this.arg = arg;
        }
    }


    //获取独占锁
    public void lock() {
        int arg = 1;
        //尝试获取独占锁，若成功，退出方法，    若失败...
        if (!tryLock(arg)){
            //标记为独占锁
            WaitNode waitNode = new WaitNode(Thread.currentThread(), 0, arg);
            waiters.offer(waitNode);    //进入等待队列

            //循环尝试拿锁
            for(;;){
                //若队列头部是当前线程
                WaitNode head = waiters.peek();
                if (head!=null && head.thread == Thread.currentThread()){
                    if (!tryLock(arg)){      //再次尝试获取 独占锁
                        LockSupport.park();     //若失败，挂起线程
                    } else{     //若成功获取
                        waiters.poll();     //  将当前线程从队列头部移除
                        return;         //并退出方法
                    }
                }else{  //若不是队列头部元素
                    LockSupport.park();     //将当前线程挂起
                }
            }
        }
    }

    //释放独占锁
    public boolean unlock() {
        int arg = 1;

        //尝试释放独占锁 若失败返回true，若失败...
        if(tryUnlock(arg)){
            WaitNode next = waiters.peek(); //取出队列头部的元素
            if (next !=null){
                Thread th = next.thread;
                LockSupport.unpark(th);     //唤醒队列头部的线程
            }
            return true;                //返回true
        }
        return false;
    }

    //尝试获取独占锁
    public boolean tryLock(int acquires) {
        //如果read count ！=0 返回false
        if (readCount.get() !=0)
            return false;

        int wct = writeCount.get();     //拿到 独占锁 当前状态

        if (wct==0){
            if (writeCount.compareAndSet(wct, wct + acquires)){     //通过修改state来抢锁
                owner.set(Thread.currentThread());  //  抢到锁后，直接修改owner为当前线程
                return true;
            }
        }else if (owner.get() == Thread.currentThread()){
            writeCount.set(wct + acquires);     //修改count值
            return true;
        }

        return false;
    }

    //尝试释放独占锁
    public boolean tryUnlock(int releases) {
        //若当前线程没有 持有独占锁
        if(owner.get()!= Thread.currentThread()){
            throw new IllegalMonitorStateException();       //抛IllegalMonitorStateException
        }

        int wc= writeCount.get();
        int nextc = wc - releases;      //计算 独占锁剩余占用
        writeCount.set(nextc);      //不管是否完全释放，都更新count值

        if (nextc==0){  //是否完全释放
            owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);
            return true;
        }else{
            return false;
        }

    }



    //获取共享锁
    public void lockShared() {
        int arg = 1;

        if (tryLockShared(arg) < 0){    //如果tryAcquireShare失败
            //将当前进程放入队列
            WaitNode node = new WaitNode(Thread.currentThread(), 1, arg);
            waiters.offer(node);  //加入队列

            for (;;){
                //若队列头部的元素是当前线程
                WaitNode head = waiters.peek();
                if (head!=null && head.thread == Thread.currentThread()){
                    if (tryLockShared(arg) >=0){    //尝试获取共享锁，  若成功
                        waiters.poll();      //将当前线程从队列中移除

                        WaitNode next = waiters.peek();
                        if (next!=null && next.type==1){    //如果下一个线程也是等待共享锁
                            LockSupport.unpark(next.thread);    //将其唤醒
                        }
                        return;     //退出方法
                    }else{                      //若尝试失败
                        LockSupport.park();     //挂起线程
                    }
                }else{  //若不是头部元素
                    LockSupport.park();
                }

            }
        }
    }

    //解锁共享锁
    public boolean unLockShared() {
        int arg = 1;

        if (tryUnLockShared(arg)){     //当read count变为0，才叫release share成功
            WaitNode next = waiters.peek();
            if (next!=null){
                LockSupport.unpark(next.thread);
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    //尝试获取共享锁
    public int tryLockShared(int acquires) {
        for (;;){
            if (writeCount.get()!=0 &&
                    owner.get() != Thread.currentThread())
                return -1;

            int rct = readCount.get();
            if (readCount.compareAndSet(rct, rct + acquires)){
                return 1;
            }
        }
    }

    //尝试解锁共享锁
    public boolean tryUnLockShared(int releases) {
        for(;;){
            int rc = readCount.get();
            int nextc = rc - releases;
            if (readCount.compareAndSet(rc, nextc)){
                return nextc==0;
            }
        }
    }


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3、锁降级

锁降级指的是写锁降级为读锁，持有写锁的同时，再获取读锁，随后释放写锁的过程。写锁是线程独占，读锁是共享，所以写锁->读是降级（读->写是不能实现的）。
锁降级分析：（线程t1写，t1读，t1写，t2读，t3读）
t1写线程首先判断readcount是否为0，不为0则线程挂起，readcount=0则判断writecount是否为0，不为0判断owner是否是当前线程，是当前线程writecount+1，writecount=0则修改owner为当前线程；接着t1读线程，判断writecount是否为 0，不为0，则判断owner是否为当前线程，是当前线程则，readcount+1，获取读锁成功，然后t1写线程释放锁。这个过程就是锁降级。

四、ReadWriteLock使用场景

适合读取操作多余写入操作的场景吗，改进互斥锁的性能。比如：集合的并发线程安全性改造、缓存组件。
集合的并发线程安全性改造，代码示例：

 private HashMap<Object, Object> map = new HashMap<>();

    ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();


    public Object get(Object key){
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            return map.get(key);
        }finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }


    public void put(Object key,Object value){
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            map.put(key, value);
        }finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }
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缓存组件，代码示例：

//实现缓存
//使用数据

class TeacherInfoCache {
    //数据是否可用
    static volatile boolean cacheValid;

    //锁
    static final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    //查询并使用数据，
    static void processCacheData(String dataKey){
        Object data =null;

        rwl.readLock().lock();
        try {
            //判断数据是否可用
            if (cacheValid){
                data = Redis.data.get(dataKey);
            }else{
                rwl.readLock().unlock();
                rwl.writeLock().lock();
                try {
                    if (!cacheValid){
                        //从数据库读取
                        data = DataBase.queryUserInfo();
                        Redis.data.put(dataKey, data);
                        cacheValid = true;
                    }
                }finally {
                    rwl.readLock().lock();    //锁降级
                    rwl.writeLock().unlock();
                }
            }

            //使用数据， like 写数据库，落地到文件，做某种计算

        }finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}


class DataBase{
    static String queryUserInfo(){
        System.out.println("查询数据库。。。");
        return "name:Kody,age:40,gender:true,";
    }
}

class Redis{
    static Map<String, Object> data = new HashMap<>();
}

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