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轉(zhuǎn)自：搜狐技術(shù)產(chǎn)品??作者：汪建

本文字?jǐn)?shù)：3107字

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關(guān)于讀寫鎖

Java語法層面的synchronized鎖和JDK內(nèi)置可重入鎖ReentrantLock我們都經(jīng)常會(huì)使用，這兩種鎖都屬于純粹的獨(dú)占鎖，也就是說這些鎖任意時(shí)刻只能由一個(gè)線程持有，其它線程都得排隊(duì)依次獲取鎖。

為了提高并發(fā)性能我們會(huì)額外引入共享鎖來與獨(dú)占鎖共同對(duì)外構(gòu)成一個(gè)鎖，這種就叫讀寫鎖。

為什么叫讀寫鎖呢？主要是因?yàn)樗氖褂每紤]了讀寫場(chǎng)景，一般認(rèn)為讀操作不會(huì)改變數(shù)據(jù)所以可以多線程進(jìn)行讀操作，但寫操作會(huì)改變數(shù)據(jù)所以只能一個(gè)線程進(jìn)行寫操作。

讀寫鎖在內(nèi)部維護(hù)了一對(duì)鎖（讀鎖和寫鎖），它通過將鎖進(jìn)行分離從而得到更高的并發(fā)性能。

如下圖中，存在一個(gè)讀寫鎖，其內(nèi)部包含了讀鎖和寫鎖兩個(gè)對(duì)象。假如存在五個(gè)線程，其中線程一和線程二想要獲取讀鎖，那么兩個(gè)線程是可以同時(shí)獲取到讀鎖的。但是寫鎖就不可以共享，它是獨(dú)占鎖。

比如線程三、線程四和線程五都想要持有寫鎖，那么只能一個(gè)個(gè)線程輪著持有。

讀寫鎖的性質(zhì)

可以多個(gè)線程同時(shí)持有讀鎖，某個(gè)線程成功獲取讀鎖后其它線程仍然能成功獲取讀鎖，即使該線程不釋放讀鎖。

在某個(gè)線程持有讀鎖的情況下其它線程不能持有寫鎖，除非持有讀鎖的線程全部都釋放掉讀鎖。

在某個(gè)線程持有寫鎖的情況下其它線程不能持有寫鎖或讀鎖，某個(gè)線程成功獲取寫鎖后其它所有嘗試獲取讀鎖和寫鎖的線程都將進(jìn)入等待狀態(tài)，只有當(dāng)該線程釋放寫鎖后才其它線程能夠繼續(xù)往下執(zhí)行。

如果我們要獲取讀鎖則需要滿足兩個(gè)條件：目前沒有線程持有寫鎖和目前沒有線程請(qǐng)求獲取寫鎖。

如果我們要獲取寫鎖則需要滿足兩個(gè)條件：目前沒有線程持有寫鎖和目前沒有線程持有讀鎖。

簡(jiǎn)單版本的讀寫鎖

為了加深對(duì)讀寫鎖的理解，在分析JDK實(shí)現(xiàn)的讀寫鎖之前我們先來看一個(gè)簡(jiǎn)單的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)版本。其中三個(gè)整型變量分別表示持有讀鎖的線程數(shù)、持有寫鎖的線程數(shù)以及請(qǐng)求獲取寫鎖的線程數(shù)，四個(gè)方法分別對(duì)應(yīng)讀鎖、寫鎖的獲取和釋放操作。

acquireReadLock方法用于獲取讀鎖，如果持有寫鎖的線程數(shù)量或請(qǐng)求讀鎖的線程數(shù)大于0則讓線程進(jìn)入等待狀態(tài)。

releaseReadLock方法用于釋放讀鎖，將讀鎖線程數(shù)減一并喚醒其它線程。

acquireWriteLock方法用于獲取寫鎖，如果持有讀鎖的線程數(shù)量或持有寫鎖的線程數(shù)量大于0則讓線程進(jìn)入等待狀態(tài)。

releaseWriteLock方法用于釋放寫鎖，將寫鎖線程數(shù)減一并喚醒其它線程。

讀鎖升級(jí)為寫鎖

在某些場(chǎng)景下，我們希望某個(gè)已經(jīng)擁有讀鎖的線程能夠獲得寫鎖，并將原來的讀鎖釋放掉，這種情況就涉及到讀鎖升級(jí)為寫鎖操作。讀寫鎖的升級(jí)操作需要滿足一定的條件，這個(gè)條件就是某個(gè)線程必須是唯一擁有讀鎖的線程，否則將無法成功升級(jí)。

如下圖中，線程二已經(jīng)持有讀鎖了，而且它是唯一的一個(gè)持有讀鎖的線程，所以它可以成功獲得寫鎖。

寫鎖降級(jí)為讀鎖

與鎖升級(jí)相對(duì)應(yīng)的是鎖降級(jí)，鎖降級(jí)就是某個(gè)已經(jīng)擁有寫鎖的線程希望能夠獲得讀鎖，并將原來的寫鎖釋放掉。鎖降級(jí)操作幾乎沒有什么風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閷戞i是獨(dú)占鎖，持有寫鎖的線程肯定是唯一的，而且讀鎖也肯定不存在持有線程，所以寫鎖可以直接降級(jí)為讀鎖。

如下圖中，線程三持有寫鎖，此時(shí)其它線程不可能持有讀鎖和寫鎖，所以可以安全地將寫鎖降為讀鎖。

ReentrantReadWriteLock類圖

為了更清晰理解ReentrantReadWriteLock類的結(jié)構(gòu)，我們先來看它的類圖。該類包含的屬性和方法較多，為了讓分析思路清晰且方便讀者理解，我們將剔除非核心源碼，只對(duì)核心功能進(jìn)行分析。

ReentrantReadWriteLock類實(shí)現(xiàn)了Serializable接口和ReadWriteLock接口，前者用于序列化，而后者則提供了readLock()和writeLock()兩個(gè)方法。該類的內(nèi)部同步器Sync基于AQS同步器實(shí)現(xiàn)，即繼承了AbstractQueuedSynchronizer類。

同步器分為公平模式和非公平模式，分別對(duì)應(yīng)著FairSync類和NonfairSync類。其中公平/非公平模式表示多個(gè)線程同時(shí)去獲取鎖時(shí)是否按照先到先得的順序獲得鎖，如果是則為公平模式，否則為非公平模式。

該類還包含了讀鎖和寫鎖，分別對(duì)應(yīng)ReadLock類和WriteLock類，它們都屬于ReentrantReadWriteLock的內(nèi)部類，且都集成了Lock接口。

ReentrantReadWriteLock實(shí)現(xiàn)思想

總的來說，ReentrantReadWriteLock類中不管是公平模式還是非公平模式、不管是讀鎖還是寫鎖都是基于AQS同步器來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)在于只使用一個(gè)AQS同步器對(duì)象來實(shí)現(xiàn)讀鎖和寫鎖，這就要求讀鎖和寫鎖共用同一個(gè)共享狀態(tài)變量。

我們知道AQS同步器的共享狀態(tài)是整型的，即32位，那么最簡(jiǎn)單的共用方式就是讀鎖和寫鎖分別使用16位。其中高16位用于讀鎖的狀態(tài)，而低16位則用于寫鎖的狀態(tài)，這樣便達(dá)到共用效果。

但是這樣設(shè)計(jì)后當(dāng)我們要獲取讀鎖和寫鎖的狀態(tài)值時(shí)則需要一些額外的計(jì)算，比如一些移位和邏輯與操作。

ReentrantReadWriteLock的同步器共用狀態(tài)變量的邏輯如下，其中SHARED_SHIFT表示移動(dòng)的位數(shù)為16；SHARED_UNIT表示讀鎖每次加鎖對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值大小，1左移16位剛好對(duì)應(yīng)高16位的1；MAX_COUNT表示讀鎖能被加鎖的最大次數(shù)，值為16個(gè)1（二進(jìn)制）；EXCLUSIVE_MASK表示寫鎖的掩碼，值為16個(gè)1（二進(jìn)制）。

sharedCount方法用于獲取讀鎖（高16位）的狀態(tài)值，左移16位即能得到。exclusiveCount方法用于獲取寫鎖（低16位）的狀態(tài)值，通過掩碼即能得到。

ReadLock與WriteLock

ReadLock與WriteLock是ReentrantReadWriteLock的兩個(gè)要素，它們都實(shí)現(xiàn)了Lock接口，我們主要關(guān)注lock、unlock和newCondition這三個(gè)核心方法。

分別表示對(duì)讀鎖和寫鎖的加鎖操作、釋放鎖操作和創(chuàng)建Condition對(duì)象操作，可以看到這些方法都間接調(diào)用了同步器Sync的方法，需要注意的是讀鎖不支持創(chuàng)建Condition對(duì)象。

公平/非公平模式

ReentrantReadWriteLock的默認(rèn)模式為非公平模式，其中同步器Sync是公平模式FairSync類和非公平模式NonfairSync類的抽象父類。

因?yàn)镽eentrantReadWriteLock的讀鎖使用了共享模式，而寫鎖使用了獨(dú)占模式，所以該父類將不同模式下的公平機(jī)制抽象為readerShouldBlock和writerShouldBlock兩個(gè)抽象方法，然后子類就可以各自實(shí)現(xiàn)不同的公平模式。

換句話說，ReentrantReadWriteLock的公平機(jī)制就由這兩個(gè)方法來決定了。

下面就是公平模式和非公平模式的差異，公平模式的readerShouldBlock和writerShouldBlock兩個(gè)方法都直接返回hasQueuedPredecessors方法的結(jié)果，表示如果等待隊(duì)列中有其它線程則讓當(dāng)前線程加入等待隊(duì)列中，從而保證公平性。

而非公平模式的writerShouldBlock方法直接返回false，表示不讓當(dāng)前線程進(jìn)入等待隊(duì)列，而是直接進(jìn)行鎖的獲取競(jìng)爭(zhēng)。readerShouldBlock方法則調(diào)用apparentlyFirstQueuedIsExclusive方法判斷頭結(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)線程是否在請(qǐng)求獲取獨(dú)占鎖（寫鎖）。

如果是則讓其它線程先獲取寫鎖，而自己則乖乖去排隊(duì)。如果不是則說明下一個(gè)節(jié)點(diǎn)線程是請(qǐng)求共享鎖（讀鎖），此時(shí)直接與之競(jìng)爭(zhēng)讀鎖。

寫鎖的實(shí)現(xiàn)

WriteLock有兩個(gè)核心方法：lock和unlock。它們都會(huì)間接調(diào)用內(nèi)部同步器sync對(duì)應(yīng)方法，在同步器中需要重寫tryAcquire方法和tryRelease方法，分別用于獲取寫鎖和釋放寫鎖操作。

先看tryAcquire方法的邏輯，c!=0時(shí)有兩種情況，一種是高16位的讀鎖狀態(tài)不為0，一種是低16位的寫鎖狀態(tài)不為0。w等于0時(shí)表示還有線程持有讀鎖，直接返回false表示獲取寫鎖失敗。

如果持有寫鎖的線程為當(dāng)前線程，則表示寫鎖重入操作，此時(shí)需要將狀態(tài)變量進(jìn)行累加，此外需要校驗(yàn)的是寫鎖重入狀態(tài)值不能超過MAX_COUNT。

通過writerShouldBlock方法判斷是否需要將當(dāng)前線程放入排隊(duì)隊(duì)列中，同時(shí)通過CAS方式對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行累加操作。

對(duì)于非公平模式，這里就是闖入操作，即線程先嘗試一次競(jìng)爭(zhēng)寫鎖。最后設(shè)置當(dāng)前線程持有寫鎖。

繼續(xù)看tryRelease方法的邏輯，先用isHeldExclusively方法檢查當(dāng)前線程必須為寫鎖持有線程，然后將狀態(tài)值減去釋放的值并獲取寫鎖狀態(tài)值，如果其值為0則表示不存在重入情況，可以徹底釋放鎖了。

設(shè)置無線程持有寫鎖，最后設(shè)置新的狀態(tài)值。

讀鎖的實(shí)現(xiàn)

讀鎖需重寫同步器中的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法，它們分別用于獲取讀鎖和釋放讀鎖操作。

tryAcquireShared方法的邏輯為：先獲取寫鎖狀態(tài)，如果不為0則表示有其它線程持有寫鎖而且當(dāng)前線程沒有持有寫鎖，則此時(shí)嘗試獲取讀鎖失敗，將當(dāng)前線程放到排隊(duì)隊(duì)列。

注意這里如果當(dāng)前線程持有寫鎖的話則可以繼續(xù)獲取讀鎖。然后獲取讀鎖狀態(tài)，嘗試通過CAS設(shè)置新的狀態(tài)值，如果成功則返回1表示成功獲取讀鎖。如果不成功則繼續(xù)調(diào)用fullTryAcquireShared方法，該方法主要是一個(gè)自旋操作。

如果寫鎖不為0且當(dāng)前線程未持有寫鎖則返回-1，表示嘗試獲取讀鎖失敗，將當(dāng)前線程加入排隊(duì)隊(duì)列中。如果寫鎖的狀態(tài)為0，則表示沒有線程持有寫鎖，繼續(xù)通過readerShouldBlock方法判斷是否需要將該線程加入到排隊(duì)隊(duì)列中。

此外，讀鎖的狀態(tài)值不能等于MAX_COUNT，最后通過CAS方式設(shè)置新的狀態(tài)值。

tryReleaseShared方法的邏輯為：通過for循環(huán)實(shí)現(xiàn)自旋，自旋的邏輯就是不斷計(jì)算新的狀態(tài)值，然后通過CAS方式來設(shè)置新的狀態(tài)值。

一個(gè)例子

接著我們看一個(gè)讀寫鎖的例子，看看如何使用讀寫鎖。首先創(chuàng)建ReentrantReadWriteLock對(duì)象，然后通過它的讀鎖和寫鎖來訪問線程不安全的TreeMap對(duì)象。

其中g(shù)et方法屬于讀取數(shù)據(jù)的操作，所以使用共享的讀鎖即可。

而put和clear兩個(gè)方法涉及到修改數(shù)據(jù)的操作，需要使用獨(dú)占的寫鎖。

總結(jié)

本文介紹了Java中的讀寫鎖ReentrantReadWriteLock的相關(guān)知識(shí)，并深入講解了它的實(shí)現(xiàn)原理。在ReentrantReadWriteLock讀寫鎖中，寫鎖是一種獨(dú)占鎖，包括了公平模式和非公平模式。

而讀寫則是一種共享鎖，它也包含了公平模式和非公平模式。它的實(shí)現(xiàn)基于AQS同步器，其中最重要的點(diǎn)是它通過某些技巧讓讀鎖和寫鎖公共了同一個(gè)狀態(tài)變量。通過本文的講解相信大家已經(jīng)很好地掌握了JDK提供的讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)原理。

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Java多線程并發(fā)讀寫鎖ReadWriteLock實(shí)現(xiàn)原理剖析