深入理解讀寫鎖ReentrantReadWriteLock

你聽___發表於2018-05-03

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深入理解讀寫鎖ReentrantReadWriteLock

1.讀寫鎖的介紹

在併發場景中用於解決執行緒安全的問題，我們幾乎會高頻率的使用到獨佔式鎖，通常使用java提供的關鍵字synchronized（關於synchronized可以看這篇文章）或者concurrents包中實現了Lock介面的ReentrantLock。它們都是獨佔式獲取鎖，也就是在同一時刻只有一個執行緒能夠獲取鎖。而在一些業務場景中，大部分只是讀資料，寫資料很少，如果僅僅是讀資料的話並不會影響資料正確性（出現髒讀），而如果在這種業務場景下，依然使用獨佔鎖的話，很顯然這將是出現效能瓶頸的地方。針對這種讀多寫少的情況，java還提供了另外一個實現Lock介面的ReentrantReadWriteLock(讀寫鎖)。讀寫所允許同一時刻被多個讀執行緒訪問，但是在寫執行緒訪問時，所有的讀執行緒和其他的寫執行緒都會被阻塞。在分析WirteLock和ReadLock的互斥性時可以按照WriteLock與WriteLock之間，WriteLock與ReadLock之間以及ReadLock與ReadLock之間進行分析。更多關於讀寫鎖特性介紹大家可以看原始碼上的介紹（閱讀原始碼時最好的一種學習方式，我也正在學習中，與大家共勉），這裡做一個歸納總結：

  1. 公平性選擇：支援非公平性（預設）和公平的鎖獲取方式，吞吐量還是非公平優於公平；
  2. 重入性：支援重入，讀鎖獲取後能再次獲取，寫鎖獲取之後能夠再次獲取寫鎖，同時也能夠獲取讀鎖；
  3. 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

要想能夠徹底的理解讀寫鎖必須能夠理解這樣幾個問題：1. 讀寫鎖是怎樣實現分別記錄讀寫狀態的？2. 寫鎖是怎樣獲取和釋放的？3.讀鎖是怎樣獲取和釋放的？我們帶著這樣的三個問題，再去了解下讀寫鎖。

2.寫鎖詳解

2.1.寫鎖的獲取

同步元件的實現聚合了同步器（AQS），並通過重寫重寫同步器（AQS）中的方法實現同步元件的同步語義（關於同步元件的實現層級結構可以看這篇文章，AQS的底層實現分析可以看這篇文章）。因此，寫鎖的實現依然也是採用這種方式。在同一時刻寫鎖是不能被多個執行緒所獲取，很顯然寫鎖是獨佔式鎖，而實現寫鎖的同步語義是通過重寫AQS中的tryAcquire方法實現的。原始碼為:

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();
	// 1. 獲取寫鎖當前的同步狀態
    int c = getState();
	// 2. 獲取寫鎖獲取的次數
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
        // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
		// 3.1 當讀鎖已被讀執行緒獲取或者當前執行緒不是已經獲取寫鎖的執行緒的話
		// 當前執行緒獲取寫鎖失敗
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // Reentrant acquire
		// 3.2 當前執行緒獲取寫鎖，支援可重複加鎖
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
	// 3.3 寫鎖未被任何執行緒獲取，當前執行緒可獲取寫鎖
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}
複製程式碼

這段程式碼的邏輯請看註釋，這裡有一個地方需要重點關注，exclusiveCount(c)方法，該方法原始碼為：

static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
複製程式碼

其中EXCLUSIVE_MASK為: static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; EXCLUSIVE _MASK為1左移16位然後減1，即為0x0000FFFF。而exclusiveCount方法是將同步狀態（state為int型別）與0x0000FFFF相與，即取同步狀態的低16位。那麼低16位代表什麼呢？根據exclusiveCount方法的註釋為獨佔式獲取的次數即寫鎖被獲取的次數，現在就可以得出來一個結論同步狀態的低16位用來表示寫鎖的獲取次數。同時還有一個方法值得我們注意：

static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
複製程式碼

該方法是獲取讀鎖被獲取的次數，是將同步狀態（int c）右移16次，即取同步狀態的高16位，現在我們可以得出另外一個結論同步狀態的高16位用來表示讀鎖被獲取的次數。現在還記得我們開篇說的需要弄懂的第一個問題嗎？讀寫鎖是怎樣實現分別記錄讀鎖和寫鎖的狀態的，現在這個問題的答案就已經被我們弄清楚了，其示意圖如下圖所示：

讀寫鎖的讀寫狀態設計.png

現在我們回過頭來看寫鎖獲取方法tryAcquire，其主要邏輯為：當讀鎖已經被讀執行緒獲取或者寫鎖已經被其他寫執行緒獲取，則寫鎖獲取失敗；否則，獲取成功並支援重入，增加寫狀態。

2.2.寫鎖的釋放

寫鎖釋放通過重寫AQS的tryRelease方法，原始碼為：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
	//1. 同步狀態減去寫狀態
    int nextc = getState() - releases;
	//2. 當前寫狀態是否為0，為0則釋放寫鎖
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
	//3. 不為0則更新同步狀態
    setState(nextc);
    return free;
}
複製程式碼

原始碼的實現邏輯請看註釋，不難理解與ReentrantLock基本一致，這裡需要注意的是，減少寫狀態int nextc = getState() - releases;只需要用當前同步狀態直接減去寫狀態的原因正是我們剛才所說的寫狀態是由同步狀態的低16位表示的。

3.讀鎖詳解

3.1.讀鎖的獲取

看完了寫鎖，現在來看看讀鎖，讀鎖不是獨佔式鎖，即同一時刻該鎖可以被多個讀執行緒獲取也就是一種共享式鎖。按照之前對AQS介紹，實現共享式同步元件的同步語義需要通過重寫AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法。讀鎖的獲取實現方法為：

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();
	//1. 如果寫鎖已經被獲取並且獲取寫鎖的執行緒不是當前執行緒的話，當前
	// 執行緒獲取讀鎖失敗返回-1
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    int r = sharedCount(c);
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
		//2. 當前執行緒獲取讀鎖
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
		//3. 下面的程式碼主要是新增的一些功能，比如getReadHoldCount()方法
		//返回當前獲取讀鎖的次數
        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;
    }
	//4. 處理在第二步中CAS操作失敗的自旋已經實現重入性
    return fullTryAcquireShared(current);
}
複製程式碼

程式碼的邏輯請看註釋，需要注意的是 當寫鎖被其他執行緒獲取後，讀鎖獲取失敗，否則獲取成功利用CAS更新同步狀態。另外，當前同步狀態需要加上SHARED_UNIT（(1 << SHARED_SHIFT)即0x00010000）的原因這是我們在上面所說的同步狀態的高16位用來表示讀鎖被獲取的次數。如果CAS失敗或者已經獲取讀鎖的執行緒再次獲取讀鎖時，是靠fullTryAcquireShared方法實現的，這段程式碼就不展開說了，有興趣可以看看。

3.2.讀鎖的釋放

讀鎖釋放的實現主要通過方法tryReleaseShared，原始碼如下，主要邏輯請看註釋：

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
	// 前面還是為了實現getReadHoldCount等新功能
    if (firstReader == current) {
        // assert firstReaderHoldCount > 0;
        if (firstReaderHoldCount == 1)
            firstReader = null;
        else
            firstReaderHoldCount--;
    } else {
        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;
    }
    for (;;) {
        int c = getState();
		// 讀鎖釋放 將同步狀態減去讀狀態即可
        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;
    }
}
複製程式碼

4.鎖降級

讀寫鎖支援鎖降級，遵循按照獲取寫鎖，獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序，寫鎖能夠降級成為讀鎖，不支援鎖升級，關於鎖降級下面的示例程式碼摘自ReentrantWriteReadLock原始碼中：

void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        if (!cacheValid) {
            // Must release read lock before acquiring write lock
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                // Recheck state because another thread might have
                // acquired write lock and changed state before we did.
                if (!cacheValid) {
                    data = ...
            cacheValid = true;
          }
          // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
          rwl.readLock().lock();
        } finally {
          rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
        }
      }
 
      try {
        use(data);
      } finally {
        rwl.readLock().unlock();
      }
    }
}複製程式碼

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