java多執行緒7：ReentrantReadWriteLock

讓我發會呆發表於2021-12-16
Java執行緒

真實的多執行緒業務開發中，最常用到的邏輯就是資料的讀寫，ReentrantLock雖然具有完全互斥排他的效果（即同一時間只有一個執行緒正在執行lock後面的任務），

這樣做雖然保證了例項變數的執行緒安全性，但效率卻是非常低下的。所以在JDK中提供了一種讀寫鎖ReentrantReadWriteLock類，使用它可以加快執行效率。

讀寫鎖表示兩個鎖，一個是讀操作相關的鎖，稱為共享鎖；另一個是寫操作相關的鎖，稱為排他鎖。

下面我們通過程式碼去驗證下讀寫鎖之間的互斥性

ReentrantReadWriteLock

讀讀共享

首先建立一個物件，分別定義一個加讀鎖方法和一個加寫鎖的方法，

public class MyDomain3 {

    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void testReadLock() {
        try {
            lock.readLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 獲取讀鎖");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void testWriteLock() {
        try {
            lock.writeLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 獲取寫鎖");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }

}

　　建立執行緒類1 呼叫加讀鎖方法

public class Mythread3_1 extends Thread {

    private MyDomain3 myDomain3;

    public Mythread3_1(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }

    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testReadLock();
    }
}

　　

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_1 readLock2 = new Mythread3_1(myDomain3);
	readLock.start();
	readLock2.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　執行結果：

1639621812838 獲取讀鎖
1639621812839 獲取讀鎖

　　可以看出兩個讀鎖幾乎同時執行，說明讀和讀之間是共享的，因為讀操作不會有執行緒安全問題。

 

寫寫互斥

建立執行緒類2，呼叫加寫鎖方法

public class Mythread3_2 extends Thread {

    private MyDomain3 myDomain3;

    public Mythread3_2(MyDomain3 myDomain3) {
        this.myDomain3 = myDomain3;
    }

    @Override
    public void run() {
        myDomain3.testWriteLock();
    }
}
@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock2 = new Mythread3_2(myDomain3);

        writeLock.start();
        writeLock2.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　執行結果：

1639622063226 獲取寫鎖
1639622064226 獲取寫鎖

　　從時間上看，間隔是1000ms即1s，說明寫鎖和寫鎖之間互斥。

 

讀寫互斥

再用執行緒1和執行緒2分別呼叫讀鎖與寫鎖

@Test
    public void test3() throws InterruptedException {
        MyDomain3 myDomain3 = new MyDomain3();
        Mythread3_1 readLock = new Mythread3_1(myDomain3);
        Mythread3_2 writeLock = new Mythread3_2(myDomain3);

	readLock.start();
        writeLock.start();

        Thread.sleep(3000);
    }

　　執行結果：

1639622338402 獲取讀鎖
1639622339402 獲取寫鎖

　　從時間上看，間隔是1000ms即1s，和程式碼裡面是一致的，證明了讀和寫之間是互斥的。

注意一下，"讀和寫互斥"和"寫和讀互斥"是兩種不同的場景，但是證明方式和結論是一致的，所以就不證明了。

 

最終測試結果下：

1、讀和讀之間不互斥，因為讀操作不會有執行緒安全問題

2、寫和寫之間互斥，避免一個寫操作影響另外一個寫操作，引發執行緒安全問題

3、讀和寫之間互斥，避免讀操作的時候寫操作修改了內容，引發執行緒安全問題

總結起來就是，多個Thread可以同時進行讀取操作，但是同一時刻只允許一個Thread進行寫入操作。

 

原始碼分析

讀寫鎖中的Sync也是同樣實現了AQS，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。

讀寫鎖將變數切分成了兩個部分，高16位表示讀，低16位表示寫

 

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。讀寫鎖是如何迅速確定讀和寫各自的狀態呢？

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;

/** Returns the number of shared holds represented in count  */
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

　　其實是通過位運算。假設當前同步狀態值為c，寫狀態等於c & EXCLUSIVE_MASK (c&0x0000FFFF（將高16位全部抹去）)，

讀狀態等於c>>>16（無符號補0右移16位）。當寫狀態增加1時，等於c+1，當讀狀態增加1時，等於c+(1<<16)，也就是c+0x00010000。

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

 

寫鎖的獲取與釋放

　　通過上面的測試，我們知道寫鎖是一個支援重入的排它鎖，看下原始碼是如何實現寫鎖的獲取

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();
            int c = getState();
            int w = exclusiveCount(c);
            if (c != 0) {
                // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // Reentrant acquire
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            if (writerShouldBlock() ||
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

　　第3行到第11行，簡單說了下整個方法的實現邏輯，這裡要誇一下，這段註釋就很容易的讓人知道程式碼的功能。下面我們分析一下，

第13到第15行，分別拿到了當前執行緒物件current，lock的加鎖狀態值c 以及寫鎖的值w，c!=0 表明 當前處於有鎖狀態，

再繼續分析第16行到25行，有個關鍵的Note：(Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)：簡單說就是：如果一個有鎖狀態但是沒有寫鎖，那麼肯定加了讀鎖。

第18行if條件，就是判斷加了讀鎖，但是當前執行緒不是鎖擁有的執行緒，那麼獲取鎖失敗，證明讀寫鎖互斥。

第20行到第25行，走到這步，說明 w !=0 ，已經獲取了寫鎖，只要不超過寫鎖最大值，那麼增加寫狀態然後就可以成功獲取寫鎖。

如果程式碼走到第26行，說明c==0，當前沒有加任何鎖，先執行 writerShouldBlock()方法，此方法用來判斷寫鎖是否應該阻塞，

這塊是對公平與非公平鎖會有不同的邏輯，對於非公平鎖，直接返回false，不需要阻塞，

下面是公平鎖執行的判斷

public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

　　對於公平鎖需要判斷當前等待佇列中是否存在 等於當前執行緒並且正在排隊等待獲取鎖的執行緒。

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。

 

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。JDK原始碼如下：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            int r = sharedCount(c);
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                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;
            }
            return fullTryAcquireShared(current);
        }

　　第4行到第6行，如果寫鎖被其他執行緒持有，則直接返回false，獲取讀鎖失敗，證明不同執行緒間寫讀互斥。

 第8行，readerShouldBlock() 獲取讀鎖是否應該阻塞，這兒也同樣要區分公平鎖和非公平鎖，

公平鎖模式需要判斷當前等待佇列中是否存在 等於當前執行緒並且正在排隊等待獲取鎖的執行緒，存在則獲取讀鎖需要等待。

非公平鎖模式需要判斷當前等待佇列中第一個是等待寫鎖的，則方法返回true，獲取讀鎖需要等待。

fullTryAcquireShared() 主要是處理讀鎖獲取的完整版本，它處理tryAcquireShared()中沒有處理的CAS錯誤和可重入讀鎖的處理邏輯。

 

參考文獻

1：《Java併發程式設計的藝術》

2：《Java多執行緒程式設計核心技術》

相關文章