簡單分析執行緒獲取ReentrantReadWriteLock 讀鎖的規則

kingsleylam發表於2019-07-24
執行緒

 1. 問題

最近有同事問了我一個問題，在Java程式設計中，當有一條執行緒要獲取ReentrantReadWriteLock的讀鎖，此時已經有其他執行緒獲得了讀鎖，AQS佇列裡也有執行緒在等待寫鎖。由於讀鎖是共享鎖，當前執行緒是馬上獲得讀鎖，還是排隊？如果是馬上獲得讀鎖，那豈不是阻塞的等待寫鎖的執行緒有可能一直（或長時間）拿不到寫鎖（寫鎖飢餓）？

帶著這個問題，我開啟讀寫鎖的原始碼，來看一下JDK是怎麼實現的。（注：讀寫鎖指ReentrantReadWriteLock, 以下說到的讀鎖和寫鎖，都是指屬於同一個讀寫鎖的情況。讀鎖和共享鎖，寫鎖和獨佔鎖，在這裡是同樣的意思。如無特殊說明，提到的模式都是預設的非公平模式）

2. JUC萬物皆有AQS

2.1 讀鎖的實現。

先來看看讀鎖的實現。持有一個AQS，所以說，JUC萬物皆有AQS（大霧）。

順便提一下寫鎖，寫鎖也是類似的實現，而且傳入的是同一個讀寫鎖，那麼讀鎖和寫鎖，都擁有同一個AQS，這樣才能實現互相阻塞。

讀鎖是共享模式。

2.2 tryAcquireShared(int arg)的實現。

熟悉AQS的同學就知道，共享鎖的實現，AQS已經寫好了流程。但留下了一個鉤子，tryAcquireShared(int arg) 供各種場景實現。

那麼我們就來看看，讀寫鎖裡面，共享鎖（讀鎖）是怎麼實現的。

step1. 紅框一，如果當前已經有執行緒持有了獨佔鎖（即寫鎖），且不是當前執行緒持有，那麼無法重入，直接返回-1，獲取共享鎖失敗。

step2. 如果step1的情況被排除，那麼進行readerShouldBlock()的判斷。在讀寫鎖中，AQS有兩種實現，公平和非公平模式，預設是非公平模式。

也就是說，上面所說的sync變數的實際型別，可以是公平模式，也可以是非公平模式。

因此，readerShouldBlock()也有公平和非公平兩種不同的實現。

公平模式下，只要前面有阻塞排隊的節點，就返回true，表示不能搶佔。

非公平模式下，看看第一個等待的阻塞節點是不是獨佔式的，如果是，返回true，有可能不可以搶在人家前面（為什麼是有可能？要考慮可重入的場景，下面分析）。這是為了避免寫鎖飢餓。

所以，如果readerShouldBlock()返回false，並且讀鎖獲取的總次數不溢位，且CAS成功，說明獲取共享鎖成功，下面進入if塊，設定一些變數，並將當前執行緒持有的該讀鎖的次數遞增加1，返回成功標誌。

看到這裡，也許你會有疑惑，僅僅是因為CAS失敗，就獲取共享鎖失敗了嗎？而且，ReentrantReadWriteLock是一個可重入鎖，這裡也沒看到有重入的地方啊。

別急，如果step2失敗，會進入step3，到第三個紅框，進入fullTryAcquireShared(Thread current)方法。

2.3  final int fullTryAcquireShared(Thread current)

這個方法比較長，裡面用了for(;;) 自旋CAS，為什麼呢？因為CAS還是可能會失敗啊……失敗就得繼續再嘗試一把。

我就貼出for(;;) 裡的程式碼，分為兩段，第一段判斷是否可以嘗試獲取鎖（與上面類似，加了重入的判斷），第二段CAS和成功後的一些操作。

先看第一段，判斷是否可以嘗試獲取鎖。

step1. 如果有執行緒持有獨佔鎖，並且不是當前執行緒，返回失敗標誌-1。如果是當前執行緒，由於可重入的語義，通過了判斷，直接跑到第二段程式碼了。說明在持有獨佔鎖的情況下可以獲取共享鎖（鎖降級）。

step2. 如果當前沒有執行緒持有獨佔鎖，那麼再來看看熟悉的readerShouldBlock()。通過上面的分析我們知道，在公平模式下有節點在阻塞就得排隊，在非公平模式下有可能不可以搶在人家前面。為什麼是有可能？因為要考慮可重入的場景。

如果firstReader是當前執行緒，或者當前執行緒的cachedHoldCounter變數的count不為0（表示當前執行緒已經持有了該共享鎖），均說明當前執行緒已經持有共享鎖，此次獲取共享鎖是重入，這也是允許的，可以通過判斷。

如果可以順利通過上面兩步判斷，說明獲取共享鎖成功，下面開始熟悉的CAS。 

 

失敗了咋辦？別忘記是自旋啊，外層是for(;;)，那就再來一發~~。當然還得再來一遍第一段的判斷。

3. 結論

經過上面的分析，可以來回答我的同事的問題了。

在Java程式設計中，當有一條執行緒要獲取ReentrantReadWriteLock的讀鎖，此時已經有其他執行緒獲得了讀鎖，AQS佇列裡也有執行緒在等待寫鎖。由於讀鎖是共享鎖，當前執行緒是馬上獲得讀鎖，還是排隊？如果是馬上獲得讀鎖，那豈不是阻塞的等待寫鎖的執行緒有可能一直（或長時間）拿不到寫鎖（寫鎖飢餓）？

1.如果已經有執行緒持有獨佔鎖

1.1 該執行緒不是當前執行緒，不用想了，乖乖排隊；

1.2 該執行緒就是當前執行緒，重入，CAS獲取共享鎖；

2.如果沒有執行緒持有獨佔鎖，檢查當前執行緒是否需要block(readerShouldBlock方法）。

block的判斷，有兩種模式，公平和非公平（預設模式）。如果不需要block, 必須滿足：公平模式下，沒有節點在AQS等待；非公平模式下，AQS第一個等待的節點不是獨佔式的；

2.1 不需要block，可以CAS獲取共享鎖；

2.2 需要block；

2.2.1 當前執行緒已經持有了共享鎖，重入，還是可以CAS獲取共享鎖；

2.2.2 當前執行緒前沒有已經持有共享鎖，則獲取失敗，只能排隊。

 

上面是根據程式碼邏輯整理的，可以換為更簡潔的語言。

如果當前執行緒已經持有獨佔鎖或共享鎖（重入）或不需要block，則CAS獲取共享鎖；否則，排隊。

在問題的場景中，當前執行緒並沒有獲取到寫鎖或讀鎖，不能重入；非公平模式下AQS中第一個等待的是想要獲取獨佔鎖的節點（公平模式不贅述），必須block，所以當前執行緒只能排隊，並不會出現阻塞的想獲取寫鎖的節點一直拿不到寫鎖的情況。

 為什麼知道等待寫鎖的節點一定是第一個等待的節點呢？因為如果它前面還有節點，獲取到讀鎖的節點會喚醒後面同樣等待讀鎖的節點（共享鎖的特點），所以等待寫鎖的節點，大概率是第一個節點（也有可能等待讀鎖的節點還沒被喚醒，當然這是瞬時發生的，這種場景應該小概率吧……）。我想，這也是readerShouldBlock()要判斷第一個等待節點的原因吧。

4. 舉個栗子

 1 package com.khlin.my.test;
 2 
 3 import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
 4 
 5 public class RRWLockTest {
 6 
 7     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 8         final ReentrantReadWriteLock LOCK = new ReentrantReadWriteLock();
 9 
10         Thread reader1 = new Thread(new Runnable() {
11             public void run() {
12                 try {
13                     LOCK.readLock().lock();
14                     System.out.println("reader1 locked.");
15                     Thread.sleep(3000L);
16                     System.out.println("reader1 finished.");
17                 } catch (InterruptedException e) {
18                     e.printStackTrace();
19                 } finally {
20                     LOCK.readLock().unlock();
21                 }
22             }
23         });
24 
25         Thread reader2 = new Thread(new Runnable() {
26             public void run() {
27                 try {
28                     LOCK.readLock().lock();
29                     System.out.println("reader2 locked.");
30                     System.out.println("reader2 finished.");
31                 } finally {
32                     LOCK.readLock().unlock();
33                 }
34             }
35         });
36 
37         Thread writer = new Thread(new Runnable() {
38             public void run() {
39                 try{
40                     LOCK.writeLock().lock();
41                     System.out.println("writer locked.");
42                     System.out.println("writer finished.");
43                 }finally {
44                     LOCK.writeLock().unlock();
45                 }
46             }
47         });
48         reader1.start();
49         Thread.sleep(1000L);
50         writer.start();
51         Thread.sleep(1000L);
52         reader2.start();
53     }
54 }

reader1獲取了讀鎖，正在執行，隨後writer來獲取寫鎖，失敗，入隊等待。reader2由於writer正在等待（通過readerShouldBlock判斷），無法獲取讀鎖，入隊，等待。輸出如下：

如果把writer去掉，雖然reader1還沒執行完，但reader2可以馬上獲得讀鎖，無需等待。把上面第49，50行註釋掉，輸出如下：

 

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