Java 併發包中的讀寫鎖及其實現分析

1. 前言

在Java併發包中常用的鎖（如：ReentrantLock），基本上都是排他鎖，這些鎖在同一時刻只允許一個執行緒進行訪問，而讀寫鎖在同一時 刻可以允許多個讀執行緒訪問，但是在寫執行緒訪問時，所有的讀執行緒和其他寫執行緒均被阻塞。讀寫鎖維護了一對鎖，一個讀鎖和一個寫鎖，通過分離讀鎖和寫鎖，使得 併發性相比一般的排他鎖有了很大提升。

除了保證寫操作對讀操作的可見性以及併發性的提升之外，讀寫鎖能夠簡化讀寫互動場景的程式設計方式。假設在程式中定義一個共享的資料結構用作快取，它大部分時間提供讀服務（例如：查詢和搜尋），而寫操作佔有的時間很少，但是寫操作完成之後的更新需要對後續的讀服務可見。

在沒有讀寫鎖支援的（Java 5 之前）時候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知機制，就是當寫操作開始時，所有晚於寫操作的讀操作均會進入等待狀態，只有寫操作完成並進行 通知之後，所有等待的讀操作才能繼續執行（寫操作之間依靠synchronized關鍵字進行同步），這樣做的目的是使讀操作都能讀取到正確的資料，而不 會出現髒讀。改用讀寫鎖實現上述功能，只需要在讀操作時獲取讀鎖，而寫操作時獲取寫鎖即可，當寫鎖被獲取到時，後續（非當前寫操作執行緒）的讀寫操作都會被 阻塞，寫鎖釋放之後，所有操作繼續執行，程式設計方式相對於使用等待通知機制的實現方式而言，變得簡單明瞭。

一般情況下，讀寫鎖的效能都會比排它鎖要好，因為大多數場景讀是多於寫的。在讀多於寫的情況下，讀寫鎖能夠提供比排它鎖更好的併發性和吞吐量。Java併發包提供讀寫鎖的實現是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如表1所示。

表1. ReentrantReadWriteLock的特性

特性	說明
公平性選擇	支援非公平(預設)和公平的鎖獲取方式，吞吐量還是非公平優於公平
重進入	該鎖支援重進入，以讀寫執行緒為例：讀執行緒在獲取了讀鎖之後，能夠再次獲取讀鎖。而寫執行緒在獲取了寫鎖之後能夠再次獲取寫鎖，同時也可以獲取讀鎖
鎖降級	遵循獲取寫鎖、獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序，寫鎖能夠降級成為讀鎖

2. 讀寫鎖的介面與示例

ReadWriteLock僅定義了獲取讀鎖和寫鎖的兩個方法，即readLock()和writeLock()方法，而其實現— ReentrantReadWriteLock，除了介面方法之外，還提供了一些便於外界監控其內部工作狀態的方法，這些方法以及描述如表2所示。

表2. ReentrantReadWriteLock展示內部工作狀態的方法

方法名稱	描述
int getReadLockCount()	返回當前讀鎖被獲取的次數。該次數不等於獲取讀鎖的執行緒數，比如：僅一個執行緒，它連續獲取（重進入）了n次讀鎖，那麼佔據讀鎖的執行緒數是1，但該方法返回n
int getReadHoldCount()	返回當前執行緒獲取讀鎖的次數。該方法在Java 6 中加入到ReentrantReadWriteLock中，使用ThreadLocal儲存當前執行緒獲取的次數，這也使得Java 6 的實現變得更加複雜
boolean isWriteLocked()	判斷寫鎖是否被獲取
int getWriteHoldCount()	返回當前寫鎖被獲取的次數

接下來通過一個快取示例說明讀寫鎖的使用方式，示例程式碼如程式碼清單1所示。

程式碼清單1. Cache.java

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key對應的value
  public static final Object get(String key) {
    r.lock();
    try {
      return map.get(key);
    } finally {
      r.unlock();
    }
  }
  // 設定key對應的value，並返回舊有的value
  public static final Object put(String key, Object value) {
    w.lock();
    try {
      return map.put(key, value);
    } finally {
      w.unlock();
    }
  }
  // 清空所有的內容
  public static final void clear() {
    w.lock();
    try {
      map.clear();
    } finally {
      w.unlock();
    }
  }
}

上述示例中，Cache組合了一個非執行緒安全的HashMap作為快取的實現，同時使用讀寫鎖的讀鎖和寫鎖來保證Cache是執行緒安全的。在讀操作 get(String key)方法中，需要獲取讀鎖，這使得併發訪問該方法時不會被阻塞。寫操作put(String key, Object value)和clear()方法，在更新HashMap時必須提前獲取寫鎖，當寫鎖被獲取後，其他執行緒對於讀鎖和寫鎖的獲取均被阻塞，而只有寫鎖被釋放 之後，其他讀寫操作才能繼續。Cache使用讀寫鎖提升讀操作併發性，也保證每次寫操作對所有的讀寫操作的可見性，同時簡化了程式設計方式。

3. 讀寫鎖的實現分析

接下來將分析ReentrantReadWriteLock的實現，主要包括：讀寫狀態的設計、寫鎖的獲取與釋放、讀鎖的獲取與釋放以及鎖降級（以下沒有特別說明讀寫鎖均可認為是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 讀寫狀態的設計

讀寫鎖同樣依賴自定義同步器來實現同步功能，而讀寫狀態就是其同步器的同步狀態。回想ReentrantLock中自定義同步器的實現，同步狀態 表示鎖被一個執行緒重複獲取的次數，而讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態（一個整型變數）上維護多個讀執行緒和一個寫執行緒的狀態，使得該狀態的設計成為讀寫 鎖實現的關鍵。

如果在一個整型變數上維護多種狀態，就一定需要“按位切割使用”這個變數，讀寫鎖是將變數切分成了兩個部分，高16位表示讀，低16位表示寫，劃分方式如圖1所示。

圖1. 讀寫鎖狀態的劃分方式

如圖1所示，當前同步狀態表示一個執行緒已經獲取了寫鎖，且重進入了兩次，同時也連續獲取了兩次讀鎖。讀寫鎖是如何迅速的確定讀和寫各自的狀態呢？ 答案是通過位運算。假設當前同步狀態值為S，寫狀態等於 S & 0x0000FFFF（將高16位全部抹去），讀狀態等於 S >>> 16（無符號補0右移16位）。當寫狀態增加1時，等於S + 1，當讀狀態增加1時，等於S + (1 << 16)，也就是S + 0×00010000。

根據狀態的劃分能得出一個推論：S不等於0時，當寫狀態(S & 0x0000FFFF)等於0時，則讀狀態(S >>> 16)大於0，即讀鎖已被獲取。

3.2 寫鎖的獲取與釋放

寫鎖是一個支援重進入的排它鎖。如果當前執行緒已經獲取了寫鎖，則增加寫狀態。如果當前執行緒在獲取寫鎖時，讀鎖已經被獲取（讀狀態不為0）或者該執行緒不是已經獲取寫鎖的執行緒，則當前執行緒進入等待狀態，獲取寫鎖的程式碼如程式碼清單2所示。

程式碼清單2. ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
  Thread current = Thread.currentThread();
  int c = getState();
  int w = exclusiveCount(c);
  if (c != 0) {
    // 存在讀鎖或者當前獲取執行緒不是已經獲取寫鎖的執行緒
    if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
      return false;
    if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(c + acquires);
    return true;
  }
  if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {
    return false;
  }
  setExclusiveOwnerThread(current);
  return true;
}

該方法除了重入條件（當前執行緒為獲取了寫鎖的執行緒）之外，增加了一個讀鎖是否存在的判斷。如果存在讀鎖，則寫鎖不能被獲取，原因在於：讀寫鎖要確保 寫鎖的操作對讀鎖可見，如果允許讀鎖在已被獲取的情況下對寫鎖的獲取，那麼正在執行的其他讀執行緒就無法感知到當前寫執行緒的操作。因此只有等待其他讀執行緒都 釋放了讀鎖，寫鎖才能被當前執行緒所獲取，而寫鎖一旦被獲取，則其他讀寫執行緒的後續訪問均被阻塞。

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，當寫狀態為0時表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫執行緒能夠繼續訪問讀寫鎖，同時前次寫執行緒的修改對後續讀寫執行緒可見。

3.3 讀鎖的獲取與釋放

讀鎖是一個支援重進入的共享鎖，它能夠被多個執行緒同時獲取，在沒有其他寫執行緒訪問（或者寫狀態為0）時，讀鎖總會成功的被獲取，而所做的也只是 （執行緒安全的）增加讀狀態。如果當前執行緒已經獲取了讀鎖，則增加讀狀態。如果當前執行緒在獲取讀鎖時，寫鎖已被其他執行緒獲取，則進入等待狀態。獲取讀鎖的實 現從Java 5到Java 6變得複雜許多，主要原因是新增了一些功能，比如：getReadHoldCount()方法，返回當前執行緒獲取讀鎖的次數。讀狀態是所有執行緒獲取讀鎖次 數的總和，而每個執行緒各自獲取讀鎖的次數只能選擇儲存在ThreadLocal中，由執行緒自身維護，這使獲取讀鎖的實現變得複雜。因此，這裡將獲取讀鎖的 程式碼做了刪減，保留必要的部分，程式碼如程式碼清單3所示。

程式碼清單3. ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
  for (;;) {
    int c = getState();
    int nextc = c + (1 << 16);
    if (nextc < c)
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
      return -1;
    if (compareAndSetState(c, nextc))
      return 1;
  }
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他執行緒已經獲取了寫鎖，則當前執行緒獲取讀鎖失敗，進入等待狀態。如果當前執行緒獲取了寫鎖或者寫鎖未被獲取，則當前執行緒(執行緒安全，依靠CAS保證)增加讀狀態，成功獲取讀鎖。

讀鎖的每次釋放均（執行緒安全的，可能有多個讀執行緒同時釋放讀鎖）減少讀狀態，減少的值是(1 << 16)。

3.4 鎖降級

鎖降級指的是寫鎖降級成為讀鎖。如果當前執行緒擁有寫鎖，然後將其釋放，最後再獲取讀鎖，這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級。鎖降級是指把持住（當前擁有的）寫鎖，再獲取到讀鎖，隨後釋放（先前擁有的）寫鎖的過程。

接下來看一個鎖降級的示例：因為資料不常變化，所以多個執行緒可以併發的進行資料處理，當資料變更後，當前執行緒如果感知到資料變化，則進行資料的準備工作，同時其他處理執行緒被阻塞，直到當前執行緒完成資料的準備工作，示例程式碼如程式碼清單4所示。

程式碼清單4. processData方法

public void processData() {
  readLock.lock();
  if (!update) {
    // 必須先釋放讀鎖
    readLock.unlock();
    // 鎖降級從寫鎖獲取到開始
    writeLock.lock();
    try {
      if (!update) {
        // 準備資料的流程（略）
        update = true;
      }
      readLock.lock();
    } finally {
      writeLock.unlock();
    }
    // 鎖降級完成，寫鎖降級為讀鎖
  }
  try {
    // 使用資料的流程（略）
  } finally {
    readLock.unlock();
  }
}

上述示例中，當資料發生變更後，update變數（布林型別且Volatile修飾）被設定為false，此時所有訪問processData() 方法的執行緒都能夠感知到變化，但只有一個執行緒能夠獲取到寫鎖，而其他執行緒會被阻塞在讀鎖和寫鎖的lock()方法上。當前程獲取寫鎖完成資料準備之後，再 獲取讀鎖，隨後釋放寫鎖，完成鎖降級。

鎖降級中讀鎖的獲取是否必要呢？答案是必要的。主要原因是保證資料的可見性，如果當前執行緒不獲取讀鎖而是直接釋放寫鎖，假設此刻另一個執行緒（記作 執行緒T）獲取了寫鎖並修改了資料，則當前執行緒無法感知執行緒T的資料更新。如果當前執行緒獲取讀鎖，即遵循鎖降級的步驟，則執行緒T將會被阻塞，直到當前執行緒使 用資料並釋放讀鎖之後，執行緒T才能獲取寫鎖進行資料更新。

RentrantReadWriteLock不支援鎖升級（把持讀鎖、獲取寫鎖，最後釋放讀鎖的過程）。原因也是保證資料可見性，如果讀鎖已被多個執行緒獲取，其中任意執行緒成功獲取了寫鎖並更新了資料，則其更新對其他獲取到讀鎖的執行緒不可見。