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Java AQS中ReentrantReadWriteLock讀寫(xiě)鎖的使用

 更新時(shí)間:2023年02月02日 09:12:55   作者:飛奔的小付  
ReentrantReadWriteLock稱(chēng)為讀寫(xiě)鎖,它提供一個(gè)讀鎖,支持多個(gè)線程共享同一把鎖。這篇文章主要講解一下ReentrantReadWriteLock的使用和應(yīng)用場(chǎng)景,感興趣的可以了解一下

一. 簡(jiǎn)介

為什么會(huì)使用讀寫(xiě)鎖?

日常大多數(shù)見(jiàn)到的對(duì)共享資源有讀和寫(xiě)的操作,寫(xiě)操作并沒(méi)有讀操作那么頻繁(讀多寫(xiě)少),在沒(méi)有寫(xiě)操作的時(shí)候,多個(gè)線程同時(shí)讀一個(gè)資源沒(méi)有任何問(wèn)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(xiě)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(xiě)操作了(讀寫(xiě),寫(xiě)讀,寫(xiě)寫(xiě)互斥)。在讀多于寫(xiě)的情況下,讀寫(xiě)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(xiě)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(chēng)為讀鎖;一個(gè)用于寫(xiě)入操作,稱(chēng)為寫(xiě)鎖。

線程進(jìn)入讀鎖的前提條件:

  • 沒(méi)有其他線程的寫(xiě)鎖
  • 沒(méi)有寫(xiě)請(qǐng)求或者有寫(xiě)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(xiě)鎖的前提條件:

  • 沒(méi)有其他線程的讀鎖
  • 沒(méi)有其他線程的寫(xiě)鎖

而讀寫(xiě)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(xiě)鎖都支持線程重入。以讀寫(xiě)線程為例:讀線程獲取讀鎖后,能夠再次獲取讀鎖。寫(xiě)線程在獲取寫(xiě)鎖之后能夠再次獲取寫(xiě)鎖,同時(shí)也可以獲取讀鎖。
  • 鎖降級(jí):遵循獲取寫(xiě)鎖、再獲取讀鎖最后釋放寫(xiě)鎖的次序,寫(xiě)鎖能夠降級(jí)成為讀鎖。

二. 接口及實(shí)現(xiàn)類(lèi)

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(lèi)

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(xiě)操作上寫(xiě)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(xiě)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(xiě)鎖的讀鎖和寫(xiě)鎖來(lái)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(wèn)該方法時(shí)不會(huì)被阻塞。寫(xiě)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(xiě)鎖,當(dāng)獲取寫(xiě)鎖后,其他線程對(duì)于讀鎖和寫(xiě)鎖的獲取均被阻塞,而只有寫(xiě)鎖被釋放之后,其他讀寫(xiě)操作才能繼續(xù)。Cache使用讀寫(xiě)鎖提升讀操作的并發(fā)性,也保證每次寫(xiě)操作對(duì)所有的讀寫(xiě)操作的可見(jiàn)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(xiě)鎖降級(jí)成為讀鎖。如果當(dāng)前線程擁有寫(xiě)鎖,然后將其釋放,最后再獲取讀鎖,這種分段完成的過(guò)程不能稱(chēng)之為鎖降級(jí)。鎖降級(jí)是指把持?。ó?dāng)前擁有的)寫(xiě)鎖,再獲取到讀鎖,隨后釋放(先前擁有的)寫(xiě)鎖的過(guò)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(xiě)鎖獲取到開(kāi)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(xiě)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(jiàn)性,如果當(dāng)前線程不獲取讀鎖而是直接釋放寫(xiě)鎖,假設(shè)此刻另一個(gè)線程(記作線程T)獲取了寫(xiě)鎖并修改了數(shù)據(jù),那么當(dāng)前線程無(wú)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(xiě)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(xiě)鎖,最后釋放讀鎖的過(guò)程)。目的也是保證數(shù)據(jù)可見(jiàn)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(xiě)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(jiàn)的。

六.源碼解析

在 ReentrantLock 中,使用 Sync 的 int 類(lèi)型的 state 來(lái)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(xiě)鎖 ReentrantReadWriteLock 內(nèi)部維護(hù)著一對(duì)讀寫(xiě)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(lái)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(xiě)。

分割之后,讀寫(xiě)鎖是如何迅速確定讀鎖和寫(xiě)鎖的狀態(tài)呢?通過(guò)位運(yùn)算。假如當(dāng)前同步狀態(tài)為S,那么:

  • 寫(xiě)狀態(tài),等于 S & 0x0000FFFF(將高 16 位全部抹去)。 當(dāng)寫(xiě)狀態(tài)加1,等于S+1.
  • 讀狀態(tài),等于 S >>> 16 (無(wú)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(xiě)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(guò)ReentrantReadWriteLock的sync來(lái)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(xiě)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(xiě)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(guò) ThreadLocalHoldCounter 類(lèi),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(lái)記錄讀鎖重入數(shù)的對(duì)象
  • ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal變量,用來(lái)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(xiě)鎖的獲取

寫(xiě)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(xiě)鎖,則增加寫(xiě)狀態(tài)。如果當(dāng)前線程在獲取寫(xiě)鎖時(shí),讀鎖已經(jīng)被獲?。ㄗx狀態(tài)不為0)或者該線程不是已經(jīng)獲取寫(xiě)鎖的線程, 則當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)。

寫(xiě)鎖的獲取是通過(guò)重寫(xiě)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(xiě)鎖,狀態(tài)就不為0
    int c = getState();
    //獲取寫(xiě)鎖的重入數(shù)
    int w = exclusiveCount(c);
    //當(dāng)前同步狀態(tài)state != 0,說(shuō)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(xiě)鎖已經(jīng)被其他寫(xiě)線程獲取,則寫(xiě)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(guò)cas加鎖
    //c==0 寫(xiě)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(xiě)鎖為當(dāng)前線程所有
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;

通過(guò)源碼我們可以知道:

  • 讀寫(xiě)互斥
  • 寫(xiě)寫(xiě)互斥
  • 寫(xiě)鎖支持同一個(gè)線程重入
  • writerShouldBlock寫(xiě)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(xiě)鎖的釋放

寫(xiě)鎖釋放通過(guò)重寫(xiě)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(xiě)狀態(tài)是否為0,為0則釋放寫(xiě)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(yǔ)義需要通過(guò)重寫(xiě)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(xiě)鎖已經(jīng)被獲取并且獲取寫(xiě)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(guò)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(xiě)互斥,鎖降級(jí)場(chǎng)景除外
  • 支持鎖降級(jí),持有寫(xiě)鎖的線程,可以獲取讀鎖,但是后續(xù)要記得把讀鎖和寫(xiě)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(xiě)操作。

讀鎖釋放的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)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(xiě)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(xiě)鎖的獲取和釋放,讀鎖的獲取和釋放,深層次的理解讀寫(xiě)鎖是怎樣實(shí)現(xiàn)分別記錄讀寫(xiě)狀態(tài)的,以及讀寫(xiě)鎖的獲取及釋放。

到此這篇關(guān)于Java AQS中ReentrantReadWriteLock讀寫(xiě)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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    2017-11-11
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    2014-03-03
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    2022-05-05
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    2024-01-01
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    2023-08-08
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    2024-08-08
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    2022-09-09
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    2021-01-01
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    2023-08-08
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    2017-01-01

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