Java多線程讀寫鎖ReentrantReadWriteLock類詳解

更新時間：2021年12月16日 17:10:23 作者：讓我發(fā)會呆

本文詳細講解了Java多線程讀寫鎖ReentrantReadWriteLock類，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

真實的多線程業(yè)務(wù)開發(fā)中，最常用到的邏輯就是數(shù)據(jù)的讀寫，ReentrantLock雖然具有完全互斥排他的效果（即同一時間只有一個線程正在執(zhí)行l(wèi)ock后面的任務(wù)），這樣做雖然保證了實例變量的線程安全性，但效率卻是非常低下的。所以在JDK中提供了一種讀寫鎖ReentrantReadWriteLock類，使用它可以加快運行效率。

讀寫鎖表示兩個鎖，一個是讀操作相關(guān)的鎖，稱為共享鎖；另一個是寫操作相關(guān)的鎖，稱為排他鎖。

下面我們通過代碼去驗證下讀寫鎖之間的互斥性

ReentrantReadWriteLock

讀讀共享

首先創(chuàng)建一個對象，分別定義一個加讀鎖方法和一個加寫鎖的方法，

public class MyDomain3 {
 
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
 
    public void testReadLock() {
        try {
            lock.readLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 獲取讀鎖");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
 
    public void testWriteLock() {
        try {
            lock.writeLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 獲取寫鎖");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
 
}

創(chuàng)建線程類1 調(diào)用加讀鎖方法

public class Mythread3_1 extends Thread {
 
    private MyDomain3 myDomain3;
 
    public Mythread3_1(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testReadLock();
    }
}

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_1 readLock2 = new Mythread3_1(myDomain3);
    readLock.start();
    readLock2.start();
 
        Thread.sleep(3000);
    }

執(zhí)行結(jié)果：

1639621812838 獲取讀鎖
1639621812839 獲取讀鎖

可以看出兩個讀鎖幾乎同時執(zhí)行，說明讀和讀之間是共享的，因為讀操作不會有線程安全問題。

寫寫互斥

創(chuàng)建線程類2，調(diào)用加寫鎖方法

public class Mythread3_2 extends Thread {
 
    private MyDomain3 myDomain3;
 
    public Mythread3_2(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testWriteLock();
    }
}

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock2 = new Mythread3_2(myDomain3);
 
        writeLock.start();
        writeLock2.start();
 
        Thread.sleep(3000);
    }

執(zhí)行結(jié)果：

1639622063226 獲取寫鎖
1639622064226 獲取寫鎖

從時間上看，間隔是1000ms即1s，說明寫鎖和寫鎖之間互斥。

讀寫互斥

再用線程1和線程2分別調(diào)用讀鎖與寫鎖

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);
 
    readLock.start();
        writeLock.start();
 
        Thread.sleep(3000);
    }

執(zhí)行結(jié)果：

1639622338402 獲取讀鎖
1639622339402 獲取寫鎖

從時間上看，間隔是1000ms即1s，和代碼里面是一致的，證明了讀和寫之間是互斥的。

注意一下，"讀和寫互斥"和"寫和讀互斥"是兩種不同的場景，但是證明方式和結(jié)論是一致的，所以就不證明了。

最終測試結(jié)果下：

1、讀和讀之間不互斥，因為讀操作不會有線程安全問題
2、寫和寫之間互斥，避免一個寫操作影響另外一個寫操作，引發(fā)線程安全問題
3、讀和寫之間互斥，避免讀操作的時候?qū)懖僮餍薷牧藘?nèi)容，引發(fā)線程安全問題

總結(jié)起來就是，多個Thread可以同時進行讀取操作，但是同一時刻只允許一個Thread進行寫入操作。

源碼分析

讀寫鎖中的Sync也是同樣實現(xiàn)了AQS，回想ReentrantLock中自定義同步器的實現(xiàn)，同步狀態(tài)表示鎖被一個線程重復(fù)獲取的次數(shù)，而讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態(tài)（一個整型變量）上維護多個讀線程和一個寫線程的狀態(tài)，使得該狀態(tài)的設(shè)計成為讀寫鎖實現(xiàn)的關(guān)鍵。

讀寫鎖將變量切分成了兩個部分，高16位表示讀，低16位表示寫

當前同步狀態(tài)表示一個線程已經(jīng)獲取了寫鎖，且重進入了兩次，同時也連續(xù)獲取了兩次讀鎖。讀寫鎖是如何迅速確定讀和寫各自的狀態(tài)呢？

static final int SHARED_SHIFT   = 16;
static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
 
/** Returns the number of shared holds represented in count  */
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

其實是通過位運算。假設(shè)當前同步狀態(tài)值為c，寫狀態(tài)等于c & EXCLUSIVE_MASK (c&0x0000FFFF（將高16位全部抹去）)，讀狀態(tài)等于c>>>16（無符號補0右移16位）。當寫狀態(tài)增加1時，等于c+1，當讀狀態(tài)增加1時，等于c+(1<<16)，也就是c+0x00010000。

根據(jù)狀態(tài)的劃分能得出一個推論：c不等于0時，當寫狀態(tài)（c & 0x0000FFFF）等于0時，則讀狀態(tài)（c>>>16）大于0，即讀鎖已被獲取。

寫鎖的獲取與釋放

通過上面的測試，我們知道寫鎖是一個支持重入的排它鎖，看下源碼是如何實現(xiàn)寫鎖的獲取

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            /*
             * Walkthrough:
             * 1. If read count nonzero or write count nonzero
             *    and owner is a different thread, fail.
             * 2. If count would saturate, fail. (This can only
             *    happen if count is already nonzero.)
             * 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
             *    it is either a reentrant acquire or
             *    queue policy allows it. If so, update state
             *    and set owner.
             */
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            int w = exclusiveCount(c);
            if (c != 0) {
                // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // Reentrant acquire
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

第3行到第11行，簡單說了下整個方法的實現(xiàn)邏輯，這里要夸一下，這段注釋就很容易的讓人知道代碼的功能。下面我們分析一下，第13到第15行，分別拿到了當前線程對象current，lock的加鎖狀態(tài)值c 以及寫鎖的值w，c!=0 表明當前處于有鎖狀態(tài)，再繼續(xù)分析第16行到25行，有個關(guān)鍵的Note：(Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)：簡單說就是：如果一個有鎖狀態(tài)但是沒有寫鎖，那么肯定加了讀鎖。

第18行if條件，就是判斷加了讀鎖，但是當前線程不是鎖擁有的線程，那么獲取鎖失敗，證明讀寫鎖互斥。

第20行到第25行，走到這步，說明 w !=0 ，已經(jīng)獲取了寫鎖，只要不超過寫鎖最大值，那么增加寫狀態(tài)然后就可以成功獲取寫鎖。

如果代碼走到第26行，說明c==0，當前沒有加任何鎖，先執(zhí)行 writerShouldBlock()方法，此方法用來判斷寫鎖是否應(yīng)該阻塞，這塊是對公平與非公平鎖會有不同的邏輯，對于非公平鎖，直接返回false，不需要阻塞，下面是公平鎖執(zhí)行的判斷

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

對于公平鎖需要判斷當前等待隊列中是否存在等于當前線程并且正在排隊等待獲取鎖的線程。

寫鎖的釋放與ReentrantLock的釋放過程基本類似，每次釋放均減少寫狀態(tài)，當寫狀態(tài)為0時表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫線程能夠繼續(xù)訪問讀寫鎖，同時前次寫線程的修改對后續(xù)讀寫線程可見。

讀鎖的獲取與釋放

讀鎖是一個支持重進入的共享鎖，它能夠被多個線程同時獲取。JDK源碼如下：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            int r = sharedCount(c);
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                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);
        }

第4行到第6行，如果寫鎖被其他線程持有，則直接返回false，獲取讀鎖失敗，證明不同線程間寫讀互斥。

?第8行，readerShouldBlock() 獲取讀鎖是否應(yīng)該阻塞，這兒也同樣要區(qū)分公平鎖和非公平鎖，公平鎖模式需要判斷當前等待隊列中是否存在等于當前線程并且正在排隊等待獲取鎖的線程，存在則獲取讀鎖需要等待。

非公平鎖模式需要判斷當前等待隊列中第一個是等待寫鎖的，則方法返回true，獲取讀鎖需要等待。

fullTryAcquireShared() 主要是處理讀鎖獲取的完整版本，它處理tryAcquireShared()中沒有處理的CAS錯誤和可重入讀鎖的處理邏輯。