Java 多线程并发 ReentrantReadWriteLock详情
作者：自动化BUG制造器
前言
ReentrantReadWriteLock ，可重入读写锁。实际使用场景中，我们需要处理的操作本质上是读与写。而对这两种操作进行同步操作的难度也是不一样的。
一般情况下，读操作不会造成同步安全问题，因为只是读取数据而不去修改的情况下相当于数据是不可变的，不可变本质上是绝对的线程安全，无需进行任何确保线程安全的操作。
而如果在一系列操作中包含了写操作，那么就需要考虑线程安全了。在 JMM 中，写操作本质上是将主内存中的数据复制到线程的工作内存，然后进行更新，最后同步到主内存。如果此时有其他线程执行读操作，可能会读取到更新前到旧数据，就会造成数据不一致问题。
JMM 中定义的对写操作的执行流程中，要先去主内存读取数据，也就是说，一个写操作前一定包含了一个读操作，再算上其他的读操作场景，可以得出结论，在实际的使用场景中，读操作一定是多于写操作的。
按照上面的说法，好像读操作我们不需要进行线程安全处理，因为它本身就是线程安全的，那么为什么会有读写锁，尤其是读锁这种东西存在呢？
试想一个场景，多个线程读取一个共享资源，其中某个或某些线程在不确定的时间点会进行写操作，那么所有线程的读取到的数据是安全的吗？答案是不安全，因为写操作写入主内存不及时的话，后续其他线程的读操作读取到的数据就是主内存更新前的旧数据，就会导致脏数据问题。也就是说，写操作需要保证线程安全，并且是独占锁资源的，不能再写操作执行时，存在其他线程去执行读操作。那么就需要读锁与写锁配合处理同步逻辑。
常规的保证线程安全的方法就是普通的互斥锁，互斥锁会被一个线程持有，对其他线程造成阻塞。如果对一段有读操作也有写操作的代码使用互斥锁的话，对于争用这个共享数据的所有线程来说，只有一个拥有锁的线程可以正常运行，其他线程的逻辑即使是都是读操作。其他线程会阻塞等待锁资源。
读写锁的优势就是，在上面这种情况下，确保写操作的互斥性，并在没有写操作的场景下，读操作可以让多个线程同时获取锁资源。
ReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock 是基于 AbstractQueuedSynchronizer 并实现了 ReadWriteLock 接口实现的一个锁机制。ReadWriteLock 定义了读写锁的特性：
public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*/
Lock readLock();
/**
* Returns the lock used for writing.
*/
Lock writeLock();
}ReadWriteLock 中定义了获取两种锁的方式，一个用于获取读锁、一个用于获取写锁。只要没有持有写锁的线程在执行，读锁可以同时被多个尝试读操作的线程持有，而写锁是排他锁。
与互斥锁相比，读写锁在访问共享数据时允许更高级的并发特性，即每次只有一个线程可以执行写操作，并且在没有写操作时其他线程可以并发读取共享数据。从读操作的效率来看，如果是互斥锁每次只能一个线程执行读写操作，而读写锁可以多个线程读，写操作时才互斥，所以读写锁的执行效率更高。
ReentrantReadWriteLock 源码分析
前面的内容介绍了读写锁的含义和优势，接下来分析 Java 并发包中对它的实现 ReentrantReadWriteLock 。
类关系
public class ReentrantReadWriteLock implements ReadWriteLock, java.io.Serializable {
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
static final class HoldCounter
static final class ThreadLocalHoldCounter extends ThreadLocal<HoldCounter>
}
static final class NonfairSync extends Sync
static final class FairSync extends Sync
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable
public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable
}ReentrantReadWriteLock 实现了读写锁接口 ReadWriteLock 和序列化接口 Serializable 。
它有一个抽象静态内部类 Sync ，Sync 是 AQS 的抽象子类，Sync 有两个静态实现 NonfairSync 和 FairSync ，这部分是锁逻辑的核心内容；Sync 还有两个内部数据结构类 HoldCounter 和 ThreadLocalHoldCounter 。
ReadLock 和 WriteLock 分别对应了读锁和写锁，它们都实现了 Lock 接口和序列号接口 Serializable 。它们是 ReentrantReadWriteLock 中对不同操作的锁类型的实现，使用了装饰模式，本质上还是通过 Sync 的能力实现的。
Sync
核心逻辑是来自于 Sync 及其两个实现，Sync 继承自 AbstractQueuedSynchronizer ，自身有两个内部类 HoldCounter 和 ThreadLocalHoldCounter 。
HoldCounter
static final class HoldCounter {
int count; // initially 0
// Use id, not reference, to avoid garbage retention
final long tid = LockSupport.getThreadId(Thread.currentThread());
}HoldCounter 是一个计数器，count 用来记录当前线程拥有读锁的数量，即读锁的重入次数；tid 用来记录当前线程唯一 ID 。
Sync 有一个 cachedHoldCounter 属性，用来做缓存效果，避免每次都通过 ThreadLocal 去读取数据。
ThreadLocalHoldCounter
static final class ThreadLocalHoldCounter extends ThreadLocal<HoldCounter> {
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}ThreadLocalHoldCounter 重写了 ThreadLocal 的 initialValue() ，在 ThreadLocal 没有进行过 set 数据的情况下，默认读取到的值都来自于这个方法，也就是配合 ThreadLocal 使用，默认值返回一个新的 HoldCounter 实例。
在 Sync 中，有一个属性 readHolds ，它的类型是 ThreadLocalHoldCounter ，用来做当前线程读锁重入计数器的 ThreadLocal 包装，便于线程读取自己的读锁重入计数器。
属性
Sync 中定义的属性包括：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 高16位为读锁，低16位为写锁
static final int SHARED_SHIFT = 16;
// 读锁单位
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); // 1 * 2^16 = 65536
// 读锁最大数量
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 2^16 - 1
// 写锁最大数量
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 2^16 - 1 独占标记
// 当前线程读锁重入次数。当持有读锁的线程数量下降到0时删除。
private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
// 缓存对象，避免每次都去从 ThreadLocal 查找。
private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
// 第一个获取读锁线程
private transient Thread firstReader;
// 第一个读锁线程重入读锁的计数
private transient int firstReaderHoldCount;
// ...
}构造方法
Sync() {
readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
setState(getState()); // ensures visibility of readHolds
}Sync 初始化方法创建了 ThreadLocalHoldCounter 并重新设置了 State ，为什么要重新设置呢？因为这里要读取当前线程最新的同步状态并重新设置，获取实时的同步状态。
核心方法
Sync 的关键方法包括：
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
// 并发计数
static int sharedCount(int c)
static int exclusiveCount(int c)
// 阻塞检查
abstract boolean readerShouldBlock();
abstract boolean writerShouldBlock();
// 获取和释放写锁
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryRelease(int releases)
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryAcquire(int acquires)
// 获取和释放读锁
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryReleaseShared(int unused)
@ReservedStackAccess
protected final int tryAcquireShared(int unused)
final int fullTryAcquireShared(Thread current)
// 尝试加读写锁
@ReservedStackAccess
final boolean tryWriteLock()
@ReservedStackAccess
final boolean tryReadLock()
// ...
}锁的计数方法
首先是两个静态方法 sharedCount(int c) 和 exclusiveCount(int c) ：
/** 表示共享持有的数量。 */
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; } // 无符号右移，高位补 0
/** 表示独占持有的数量。 */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }参数 c 是 AQS 中的 state，根据 state 进行位运算。这两个方法可以根据锁自身的状态解析出持有读写锁的数量。
sharedCount，表示占有读锁的线程数量。直接将 AQS 中的 state 右移 16 位，高位补 0，就可以得到读锁的线程数量，因为 state 的高十六位表示读锁，对应的低十六位表示写锁数量。exclusiveCount，表示占有写锁的线程数量。直接将 AQS 的 state 和 (2^16 - 1) 做与运算，其等效于将 state 模上 2^16 。写锁数量由 state 的低十六位表示。
读写锁阻塞检查方法
第二组方法是 readerShouldBlock 和 writerShouldBlock ，用来检查当前的读锁/写锁是否会造成当前线程阻塞。
// 获取和释放对公平锁和非公平锁使用相同的代码，不同点在于但在队列非空时是否/如何允许碰撞。 // 如果当前线程在尝试获取读锁时，并且在其他符合条件的线程也在尝试获取读锁，由于策略其他等待线程占用了读锁，当前线程应该阻塞，则返回true。 abstract boolean readerShouldBlock(); // 如果当前线程在尝试获取写锁时，并且在其他符合条件的线程也在尝试获取写锁，由于策略其他等待线程占用了写锁，当前线程应该阻塞，则返回true。 abstract boolean writerShouldBlock();
这两个方法的实现在 Sync 的子类中 -- 公平策略实现 FairSync 和非公平策略实现 NonfairSync。
公平策略实现 FairSync 和非公平策略实现 NonfairSync
// 非公平策略
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false; // 正在持有写锁的线程永不阻塞
}
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
// 公平策略
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2274990926593161451L;
final boolean writerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
}公平锁策略和非公平锁策略的实现，本质上的不同是这两个方法的实现。
NonfairSync 非公平策略
NonfairSync 中，执行写操作的线程是否应该进入阻塞状态的判断，直接是 false ，这是因为非公平策略下，如果当前自身已经拥有了写锁，直接重入，以独占的方式继续运行（所以是不公平的）。
执行读操作的线程是否会阻塞，是通过 apparentlyFirstQueuedIsExclusive() 判断的，这个方法是 AQS 中的方法：
final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {
Node h = head, s = head.next;
return h != null && s != null && !(s instanceof SharedNode) && s.waiter != null;
}这个方法的作用是，CLH 队列中的头节点和它的的 next 都存在的情况下，如果 next 节点不是 SharedNode ，且它的关联线程不为空的情况（即下一个锁不是共享锁，共享锁在读写锁里就是读锁）的情况，会导致当前执行读操作的线程进入阻塞状态，确保写操作的互斥特性。
FairSync 公平策略
FairSync 中，读写执行线程是否应该进入阻塞状态都是根据 hasQueuedPredecessors() 方法判断的：
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
Thread first = null; Node h = head, s = h.next;
if (h != null && (s == null || (first = s.waiter) == null || s.prev == null))
first = getFirstQueuedThread(); // retry via getFirstQueuedThread
return first != null && first != Thread.currentThread();
}
public final Thread getFirstQueuedThread() {
Thread first = null, w; Node h, s;
if ((h = head) != null && ((s = h.next) == null || (first = s.waiter) == null || s.prev == null)) {
// traverse from tail on stale reads
for (Node p = tail, q; p != null && (q = p.prev) != null; p = q)
if ((w = p.waiter) != null)
first = w;
}
return first;
}hasQueuedPredecessors() 对 head 节点和它的 next 节点进行空检查，并检查下一个节点的执行线程和 prev 指针是否有值，满足条件的情况下通过 getFirstQueuedThread() 方法获取到队列中第一个节点关联的线程。最终返回的结过是检查这个线程不等于当前线程。
如果存在等待队列第一个等待执行的线程，那么就优先执行这个线程。也就是说，不管当前线程是拥有读锁还是写锁，都优先执行等待队列第一个未执行节点，这里就能体现出公平，即优先执行等待队列中头一个等待的节点所关联的线程。
Release 和 Acquire 方法组
这一组方法是整个 Sync 的核心逻辑，也是加解锁核心逻辑。
tryRelease：
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively()) // 不是独占持有锁的情况，直接抛出异常。
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases; // AQS 当前锁状态 - releases = 新的锁状态
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; // 根据新的锁状态获取到独占写锁的数量 == 0
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null); // 持有写锁的线程数为0，更新当前独占线程引用
setState(nextc); // 无论是不是解锁了，都要更新锁状态
return free; // 最后返回锁是否已经可用了
}tryRelease(int releases) 用来尝试释放写锁。
它的逻辑如下图：
tryAcquire：
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* 工作流程:
* 1. 如果写锁计数非零或所有者是不同的线程，则失败。
* 2. 如果写锁计数超过最大数量，失败（这只发生在计数非 0 的情况）。
* 3. 否则，如果这个线程是可重入的获取方式或者队列策略允许的话，它就有资格获得锁。
* 如果是，更新状态并设置 owner。
*/
Thread current = Thread.currentThread(); // 当前线程
int c = getState(); // 当前锁状态
int w = exclusiveCount(c); // 计算拥有写锁的线程数量
if (c != 0) { // 0 是锁可用状态，当前状态表面锁状态为被持有。
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) // 对应 【1】 的情况，写线程数量为0或者当前线程没有占有独占资源
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) // 对应【2】的情况， 判断是否超过最高写线程数量
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 重入获取写锁
setState(c + acquires);
return true;
}
if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) // 是否应该阻塞或更新状态是否成功，失败直接 return false;
return false;
setExclusiveOwnerThread(current); // 设置当前为持有锁的线程。
return true;
}此函数用于获取写锁，首先会获取 state ，判断 state 是否为0。
若为0，表示此时没有读锁线程，再判断写线程是否应该被阻塞，而在非公平策略下总是不会被阻塞，在公平策略下会进行判断(判断同步队列中是否有等待时间更长的线程，若存在，则需要被阻塞，否则，无需阻塞)，之后在设置状态state，然后返回true。若state不为0，则表示此时存在读锁或写锁线程，若写锁线程数量为0或者当前线程为独占锁线程，则返回false，表示不成功，否则，判断写锁线程的重入次数是否大于了最大值，若是，则抛出异常，否则，设置状态state，返回true，表示成功。
其函数流程图如下：
tryReleaseShared:
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread(); // 当前线程
if (firstReader == current) { // 当前线程是否是第一个读线程
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null; // 释放线程引用
else
firstReaderHoldCount--; // 当前线程重入次数自减
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter; // 获取当前线程的重入读锁的次数
if (rh == null || rh.tid != LockSupport.getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
// 死循环直到更新状态成功
for (;;) {
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;
}
}
tryAcquireShared ：
@ReservedStackAccess
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If write lock held by another thread, fail.
* 2. Otherwise, this thread is eligible for
* lock wrt state, so ask if it should block
* because of queue policy. If not, try
* to grant by CASing state and updating count.
* Note that step does not check for reentrant
* acquires, which is postponed to full version
* to avoid having to check hold count in
* the more typical non-reentrant case.
* 3. If step 2 fails either because thread
* apparently not eligible or CAS fails or count
* saturated, chain to version with full retry loop.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) // 当独占线程不是当前线程
return -1;
int r = sharedCount(c); // 共享读锁的线程数量
// 检查读线程不应该阻塞 and 持有读锁的线程数量小于 MAX_COUNT and 更新锁状态成功
if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (r == 0) { // 第一个尝试获取读锁的线程
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) { // 第一个线程重入
firstReaderHoldCount++;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 无缓存 or 当前线程不是计数器所在线程
if (rh == null || rh.tid != LockSupport.getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); // 从 ThreadLocal 中读取
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++; // 当前线程获取读锁次数 + 1
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}
最后执行到了 fullTryAcquireShared :
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
/*
* 这段代码与 tryAcquireShared 中的部分代码是冗余的，但总体上更简单，因为它不会使
* tryAcquireShared 在重试和懒加载读锁计数之间的交互复杂化。
*/
HoldCounter rh = null;
for (;;) { // 死循环，不断尝试
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0) { // 独占检查是否是当前线程
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 否则我们持有独占锁;这里的阻塞将导致死锁。
} else if (readerShouldBlock()) {
// 确保我们不是重入式地获取读锁
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else {
// 不是重入的情况下，更新 HoldCounter
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != LockSupport.getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
// 共享读锁 == 最大数量，抛出异常
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 是否能够设置成功
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) { // 第一个线程
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) { // 重入
firstReaderHoldCount++;
} else { // 其他情况
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != LockSupport.getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}这个方法的整体逻辑与 tryAcquireShared 基本相同。
ReadLock
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;
private final Sync sync;
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryReadLock();
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public Condition newCondition() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
// ...
}ReadLock 实现了 Lock 接口，代理调用到逻辑都是 Sync 中 Shared 组的核心方法。ReadLock 可以通过 readLock(): ReadLock 方法获取到。
还有一点值得注意，newCondition() 方法直接抛出了异常，这是因为读锁是一种共享锁，不会导致互斥，所以也就不支持使用 Condition 控制阻塞与唤醒。
WriteLock
public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -4992448646407690164L;
private final Sync sync;
protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock() {
return sync.tryWriteLock();
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
public String toString() {
Thread o = sync.getOwner();
return super.toString() + ((o == null) ? "[Unlocked]" : "[Locked by thread " + o.getName() + "]");
}
public boolean isHeldByCurrentThread() {
return sync.isHeldExclusively();
}
public int getHoldCount() {
return sync.getWriteHoldCount();
}
}写锁本质上也是代理 Sync 中的核心方法。
读写锁降级
锁降级指的是写锁降级为读锁，如果当前线程拥有写锁，将其释放然后再获取读锁，这种操作过程不是锁降级。锁降级是指把线程当前持有写锁，再去获取读锁，随后释放写锁，这个流程称为锁降级。
public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 必须先释放读锁
readLock.unlock();
// 锁降级从写锁获取到开始
writeLock.lock();
try {
if (!update) {
// 准备数据的流程(略)
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}
// 锁降级完成，写锁降级为读锁
}
try {
// 使用数据的流程(略)
} finally {
readLock.unlock();
}
}锁降级可以保证数据的可见性，如果再持有写锁的情况下，不先去获取读锁，直接释放写锁，再尝试获取读锁，这一系列操作中会有短暂的无锁状态，此时如果有其他线程获取了写锁并修改数据，那么当前线程就无法感知到数据更新，如果当前线程先获取了读锁，那么其他线程就会阻塞，直到当前线程释放读锁后才能获取写锁进行更新。
读写锁 ReentrantReadWriteLock 不支持锁升级，目的是保证数据的可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁，并更新了数据，那么这个更新对其他线程是不可见的，容易造成数据不一致问题。
总结
- ReentrantReadWriteLock 底层加解锁原理是 AQS
- ReentrantReadWriteLock 分为 ReadLock 和 WriteLock 两种锁，ReadLock 是共享锁，WriteLock 是互斥锁。
- ReentrantReadWriteLock 的写锁可重入是根据 AQS 中的 state 计数的；读锁的可重入是 Sync 中的 HoldCounter 来记录的。
- 公平策略和非公平策略都需要对读锁和写锁分别实现一个判断逻辑。
- 核心实现在 Sync 方法中。
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