Java AQS中ReentrantReadWriteLock讀寫鎖的使用
一. 簡(jiǎn)介
為什么會(huì)使用讀寫鎖?
日常大多數(shù)見到的對(duì)共享資源有讀和寫的操作,寫操作并沒有讀操作那么頻繁(讀多寫少),在沒有寫操作的時(shí)候,多個(gè)線程同時(shí)讀一個(gè)資源沒有任何問題,所以應(yīng)該允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源(讀讀可以并發(fā));但是如果一個(gè)線程想去寫這些共享資源,就不應(yīng)該允許其他線程對(duì)該資源進(jìn)行讀和寫操作了(讀寫,寫讀,寫寫互斥)。在讀多于寫的情況下,讀寫鎖能夠提供比排它鎖更好的并發(fā)性和吞吐量。
針對(duì)這種場(chǎng)景JAVA的并發(fā)包提供了讀寫鎖ReentrantReadWriteLock,它內(nèi)部維護(hù)了一對(duì)相關(guān)的鎖,一個(gè)用于只讀操作,稱為讀鎖;一個(gè)用于寫入操作,稱為寫鎖。
線程進(jìn)入讀鎖的前提條件:
- 沒有其他線程的寫鎖
- 沒有寫請(qǐng)求或者有寫請(qǐng)求,但調(diào)用線程和持有鎖的線程是同一個(gè)。
線程進(jìn)入寫鎖的前提條件:
- 沒有其他線程的讀鎖
- 沒有其他線程的寫鎖
而讀寫鎖有以下三個(gè)重要的特性:
- 公平選擇性:支持非公平(默認(rèn))和公平的鎖獲取方式,吞吐量還是非公平優(yōu)于公平。
- 可重入:讀鎖和寫鎖都支持線程重入。以讀寫線程為例:讀線程獲取讀鎖后,能夠再次獲取讀鎖。寫線程在獲取寫鎖之后能夠再次獲取寫鎖,同時(shí)也可以獲取讀鎖。
- 鎖降級(jí):遵循獲取寫鎖、再獲取讀鎖最后釋放寫鎖的次序,寫鎖能夠降級(jí)成為讀鎖。
二. 接口及實(shí)現(xiàn)類
接口
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing
*/
Lock writeLock();
}
實(shí)現(xiàn)類
public class ReentrantReadWriteLock
implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -6992448646407690164L;
/** Inner class providing readlock */
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
/** Inner class providing writelock */
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
/** Performs all synchronization mechanics */
final Sync sync;
public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
public ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() { return readerLock; }
三.使用
private ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
private Lock r = readWriteLock.readLock();
private Lock w = readWriteLock.writeLock();
// 讀操作上讀鎖
public Data get(String key) {
r.lock();
try {
// TODO 業(yè)務(wù)邏輯
}finally {
r.unlock();
}
}
// 寫操作上寫鎖
public Data put(String key, Data value) {
w.lock();
try {
// TODO 業(yè)務(wù)邏輯
}finally {
w.unlock();
}
四. 應(yīng)用場(chǎng)景
ReentrantReadWriteLock適合讀多寫少的場(chǎng)景。
public class Cache {
static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock r = rwl.readLock();
static Lock w = rwl.writeLock();
// 獲取一個(gè)key對(duì)應(yīng)的value
public static final Object get(String key) {
r.lock();
try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}
// 設(shè)置key對(duì)應(yīng)的value,并返回舊的value
public static final Object put(String key, Object value) {
w.lock();
try {
return map.put(key, value);
} finally {
w.unlock();
}
}
// 清空所有的內(nèi)容
public static final void clear() {
w.lock();
try {
map.clear();
} finally {
w.unlock();
}
}
上述示例中,Cache組合一個(gè)非線程安全的HashMap作為緩存的實(shí)現(xiàn),同時(shí)使用讀寫鎖的讀鎖和寫鎖來保證Cache是線程安全的。在讀操作get(String key)方法中,需要獲取讀鎖,這使得并發(fā)訪問該方法時(shí)不會(huì)被阻塞。寫操作put(String key,Object value)方法和clear()方法,在更新 HashMap時(shí)必須提前獲取寫鎖,當(dāng)獲取寫鎖后,其他線程對(duì)于讀鎖和寫鎖的獲取均被阻塞,而只有寫鎖被釋放之后,其他讀寫操作才能繼續(xù)。Cache使用讀寫鎖提升讀操作的并發(fā)性,也保證每次寫操作對(duì)所有的讀寫操作的可見性,同時(shí)簡(jiǎn)化了編程方式
五. 鎖降級(jí)
鎖降級(jí)指的是寫鎖降級(jí)成為讀鎖。如果當(dāng)前線程擁有寫鎖,然后將其釋放,最后再獲取讀鎖,這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級(jí)。鎖降級(jí)是指把持?。ó?dāng)前擁有的)寫鎖,再獲取到讀鎖,隨后釋放(先前擁有的)寫鎖的過程。鎖降級(jí)可以幫助我們拿到當(dāng)前線程修改后的結(jié)果而不被其他線程所破壞,防止更新丟失。
示例
因?yàn)閿?shù)據(jù)不常變化,所以多個(gè)線程可以并發(fā)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,當(dāng)數(shù)據(jù)變更后,如果當(dāng)前線程感知到數(shù)據(jù)變化,則進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作,同時(shí)其他處理線程被阻塞,直到當(dāng)前線程完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作。
private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock r = rwl.readLock();
private final Lock w = rwl.writeLock();
private volatile boolean update = false;
public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 必須先釋放讀鎖
readLock.unlock();
// 鎖降級(jí)從寫鎖獲取到開始
writeLock.lock();
try {
if (!update) {
// TODO 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的流程(略)
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}
// 鎖降級(jí)完成,寫鎖降級(jí)為讀鎖
}
try {
//TODO 使用數(shù)據(jù)的流程(略)
} finally {
readLock.unlock();
}
}
鎖降級(jí)中讀鎖的獲取是否必要呢?答案是必要的。主要是為了保證數(shù)據(jù)的可見性,如果當(dāng)前線程不獲取讀鎖而是直接釋放寫鎖,假設(shè)此刻另一個(gè)線程(記作線程T)獲取了寫鎖并修改了數(shù)據(jù),那么當(dāng)前線程無法感知線程T的數(shù)據(jù)更新。如果當(dāng)前線程獲取讀鎖,即遵循鎖降級(jí)的步驟,則線程T將會(huì)被阻塞,直到當(dāng)前線程使用數(shù)據(jù)并釋放讀鎖之后,線程T才能獲取寫鎖進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。
RentrantReadWriteLock不支持鎖升級(jí)(把持讀鎖、獲取寫鎖,最后釋放讀鎖的過程)。目的也是保證數(shù)據(jù)可見性,如果讀鎖已被多個(gè)線程獲取,其中任意線程成功獲取了寫鎖并更新了數(shù)據(jù),則其更新對(duì)其他獲取到讀鎖的線程是不可見的。
六.源碼解析
在 ReentrantLock 中,使用 Sync 的 int 類型的 state 來表示同步狀態(tài),表示鎖被一個(gè)線程重復(fù)獲取的次數(shù)。但是,讀寫鎖 ReentrantReadWriteLock 內(nèi)部維護(hù)著一對(duì)讀寫鎖,如果要用一個(gè)變量維護(hù)多種狀態(tài),需要采用“按位切割使用”的方式來維護(hù)這個(gè)變量,將其切分為兩部分:高16為表示讀,低16為表示寫。
分割之后,讀寫鎖是如何迅速確定讀鎖和寫鎖的狀態(tài)呢?通過位運(yùn)算。假如當(dāng)前同步狀態(tài)為S,那么:
- 寫狀態(tài),等于 S & 0x0000FFFF(將高 16 位全部抹去)。 當(dāng)寫狀態(tài)加1,等于S+1.
- 讀狀態(tài),等于 S >>> 16 (無符號(hào)補(bǔ) 0 右移 16 位)。當(dāng)讀狀態(tài)加1,等于S+(1<<16),也就是S+0x00010000
根據(jù)狀態(tài)的劃分能得出一個(gè)推論:S不等于0時(shí),當(dāng)寫狀態(tài)(S&0x0000FFFF)等于0時(shí),則讀狀態(tài)(S>>>16)大于0,即讀鎖已被獲取。

通過ReentrantReadWriteLock的sync來實(shí)現(xiàn)
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L;
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;
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
exclusiveCount(int c) 靜態(tài)方法,獲得持有寫狀態(tài)的鎖的次數(shù)。
sharedCount(int c) 靜態(tài)方法,獲得持有讀狀態(tài)的鎖的線程數(shù)量。不同于寫鎖,讀鎖可以同時(shí)被多個(gè)線程持有。而每個(gè)線程持有的讀鎖支持重入的特性,所以需要對(duì)每個(gè)線程持有的讀鎖的數(shù)量單獨(dú)計(jì)數(shù),這就需要用到 HoldCounter 計(jì)數(shù)器
HoldCounter 計(jì)數(shù)器
讀鎖的內(nèi)在機(jī)制其實(shí)就是一個(gè)共享鎖。一次共享鎖的操作就相當(dāng)于對(duì)HoldCounter 計(jì)數(shù)器的操作。獲取共享鎖,則該計(jì)數(shù)器 + 1,釋放共享鎖,該計(jì)數(shù)器 - 1。只有當(dāng)線程獲取共享鎖后才能對(duì)共享鎖進(jìn)行釋放、重入操作。
static final class HoldCounter {
int count = 0;
final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal<HoldCounter> {
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}
通過 ThreadLocalHoldCounter 類,HoldCounter 與線程進(jìn)行綁定。HoldCounter 是綁定線程的一個(gè)計(jì)數(shù)器,而 ThreadLocalHoldCounter 則是線程綁定的 ThreadLocal。
- HoldCounter是用來記錄讀鎖重入數(shù)的對(duì)象
- ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal變量,用來存放不是第一個(gè)獲取讀鎖的線程的其他線程的讀鎖重入數(shù)對(duì)象
寫鎖的獲取
寫鎖是一個(gè)支持重進(jìn)入的排它鎖。如果當(dāng)前線程已經(jīng)獲取了寫鎖,則增加寫狀態(tài)。如果當(dāng)前線程在獲取寫鎖時(shí),讀鎖已經(jīng)被獲取(讀狀態(tài)不為0)或者該線程不是已經(jīng)獲取寫鎖的線程, 則當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)。
寫鎖的獲取是通過重寫AQS中的tryAcquire方法實(shí)現(xiàn)的。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
//當(dāng)前線程
Thread current = Thread.currentThread();
//獲取state狀態(tài) 存在讀鎖或者寫鎖,狀態(tài)就不為0
int c = getState();
//獲取寫鎖的重入數(shù)
int w = exclusiveCount(c);
//當(dāng)前同步狀態(tài)state != 0,說明已經(jīng)有其他線程獲取了讀鎖或?qū)戞i
if (c != 0) {
// c!=0 && w==0 表示存在讀鎖
// 當(dāng)前存在讀鎖或者寫鎖已經(jīng)被其他寫線程獲取,則寫鎖獲取失敗
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
// 超出最大范圍 65535
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//同步state狀態(tài)
setState(c + acquires);
return true;
}
// writerShouldBlock有公平與非公平的實(shí)現(xiàn), 非公平返回false,會(huì)嘗試通過cas加鎖
//c==0 寫鎖未被任何線程獲取,當(dāng)前線程是否阻塞或者cas嘗試獲取鎖
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
//設(shè)置寫鎖為當(dāng)前線程所有
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
通過源碼我們可以知道:
- 讀寫互斥
- 寫寫互斥
- 寫鎖支持同一個(gè)線程重入
- writerShouldBlock寫鎖是否阻塞實(shí)現(xiàn)取決公平與非公平的策略(FairSync和NonfairSync)
大致流程如下:

寫鎖的釋放
寫鎖釋放通過重寫AQS的tryRelease方法實(shí)現(xiàn)
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//若鎖的持有者不是當(dāng)前線程,拋出異常
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
//當(dāng)前寫狀態(tài)是否為0,為0則釋放寫鎖
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
流程如下:

讀鎖的獲取
實(shí)現(xiàn)共享式同步組件的同步語義需要通過重寫AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法。讀鎖的獲取實(shí)現(xiàn)方法為:
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 如果寫鎖已經(jīng)被獲取并且獲取寫鎖的線程不是當(dāng)前線程,當(dāng)前線程獲取讀鎖失敗返回-1 判斷鎖降級(jí)
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
//計(jì)算出讀鎖的數(shù)量
int r = sharedCount(c);
/**
* 讀鎖是否阻塞 readerShouldBlock()公平與非公平的實(shí)現(xiàn)
* r < MAX_COUNT: 持有讀鎖的線程小于最大數(shù)(65535)
* compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) cas設(shè)置獲取讀鎖線程的數(shù)量
*/
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { //當(dāng)前線程獲取讀鎖
if (r == 0) { //設(shè)置第一個(gè)獲取讀鎖的線程
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1; //設(shè)置第一個(gè)獲取讀鎖線程的重入數(shù)
} else if (firstReader == current) { // 表示第一個(gè)獲取讀鎖的線程重入
firstReaderHoldCount++;
} else { // 非第一個(gè)獲取讀鎖的線程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++; //記錄其他獲取讀鎖的線程的重入次數(shù)
}
return 1;
}
// 嘗試通過自旋的方式獲取讀鎖,實(shí)現(xiàn)了重入邏輯
return fullTryAcquireShared(current);
- 讀鎖共享,讀讀不互斥
- 讀鎖可重入,每個(gè)獲取讀鎖的線程都會(huì)記錄對(duì)應(yīng)的重入數(shù)
- 讀寫互斥,鎖降級(jí)場(chǎng)景除外
- 支持鎖降級(jí),持有寫鎖的線程,可以獲取讀鎖,但是后續(xù)要記得把讀鎖和寫鎖讀釋放
- readerShouldBlock讀鎖是否阻塞實(shí)現(xiàn)取決公平與非公平的策略(FairSync和NonfairSync)
流程如下:

讀鎖的釋放
獲取到讀鎖,執(zhí)行完臨界區(qū)后,要記得釋放讀鎖(如果重入多次要釋放對(duì)應(yīng)的次數(shù)),不然會(huì)阻塞其他線程的寫操作。
讀鎖釋放的實(shí)現(xiàn)主要通過方法tryReleaseShared:
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
//如果當(dāng)前線程是第一個(gè)獲取讀鎖的線程
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--; //重入次數(shù)減1
} else { //不是第一個(gè)獲取讀鎖的線程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count; //重入次數(shù)減1
}
for (;;) { //cas更新同步狀態(tài)
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// Releasing the read lock has no effect on readers,
// but it may allow waiting writers to proceed if
// both read and write locks are now free.
return nextc == 0;
}
流程如下:

七.總結(jié)
本文主要講解ReentrantReadWriteLock的使用,讀寫鎖設(shè)計(jì)的原理,鎖降級(jí),應(yīng)用場(chǎng)景及源碼解析,重點(diǎn)解析了寫鎖的獲取和釋放,讀鎖的獲取和釋放,深層次的理解讀寫鎖是怎樣實(shí)現(xiàn)分別記錄讀寫狀態(tài)的,以及讀寫鎖的獲取及釋放。
到此這篇關(guān)于Java AQS中ReentrantReadWriteLock讀寫鎖的使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java ReentrantReadWriteLock內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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