Java并发编程：7-ReadWriteLock
前言：
上一篇我们了解了Lock接口与Condition接口。本篇来看看J.U.C中的ReadWriteLock，再次膜拜一下Doug Lea大神的杰作。
面试问题
Q ：谈谈ReadWriteLock的好处？
1.ReadWriteLock简介
ReadWriteLock接口是在JDK5提供的，具体的实现类为ReentrantReadWriteLock，还有一个实现类ReadWriteLockView，是StampedLock的内部类。后边会有讲到。
public interface ReadWriteLock {
Lock readLock();
Lock writeLock();
}
ReadWriteLock直译为读写锁，从接口命名上就可以看出该工具类用于特定的场景下，前面讲过的ReentrantLock和synchronized基本可以用来解决一切并发问题，但在特定的场景下可能表现的效果不那么令人满意，如在读多写少的时，大部分线程都在进行读操作，很少有线程会修改共享数据。但由于加锁的特性，导致大量的读操作进行了不必要的锁竞争，如果能将读写的锁分离，有写操作的时候，进行读操作需要加锁；没有写操作的时候，可以多个线程同时进行读操作。这样势必会提升性能。
读写锁便是解决这种场景问题的。读写锁有三个基本原则：
- 允许多个线程同时读共享变量
- 只允许一个线程写共享变量
- 如果一个写线程正在执行，此时禁止读线程读共享变量，如果一个线程在读，同样也禁止写共享变量。
2.ReentrantReadWriteLock使用
2.1 锁降级
ReadWriteLock readWriteLock=new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = readWriteLock.readLock()
Lock writeLock = readWriteLock.writeLock()
可以看出无论是读锁还是写锁都是Lock接口的实现类，那么上一篇中提到Lock接口的三种加锁方式都可以使用。
//支持中断的加锁 void lockInterruptibly() throws InterruptedException; //支持超时的加锁 boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; //支持非阻塞获取锁 boolean tryLock();
Reentrant代表可重入的，ReentrantReadWriteLock支持重入锁，而且也支持公平锁和非公平锁。
前面简单的介绍的读写锁的使用，这里有一个需要注意的点，就是读写锁的升级和降级。
ReentrantReadWriteLock<font color=Crimson>不支持锁的升级</font>，但是<font color=dodgerblue>支持锁的降级</font>。锁降级就是持有写锁去申请读锁；锁升级是持有读锁去申请写锁，如果出现类似锁升级的代码，则会导致线程阻塞，且无法被唤醒。这点需要注意。
锁的升级：
ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
@Test
//无法进行锁的升级，从读变成写
public void test2() throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
readWriteLock.readLock().lock();
System.out.println("获取读锁");
readWriteLock.writeLock().lock();
System.out.println("获取写锁");
readWriteLock.writeLock().unlock();
System.out.println("释放写锁");
readWriteLock.readLock().unlock();
System.out.println("释放读锁");
});
thread.start();
thread.join();
}
/*Output
获取读锁
----- 发生阻塞----- 必须先释放读锁才能去申请写锁，不然会阻塞
锁的降级：
ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
@Test
//进行锁的降级，从写变成读
public void test() throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
readWriteLock.writeLock().lock();
System.out.println("获取写锁");
readWriteLock.readLock().lock();
System.out.println("获取读锁");
readWriteLock.readLock().unlock();
System.out.println("释放写锁");
readWriteLock.writeLock().unlock();
System.out.println("释放读锁");
});
thread.start();
thread.join();
}
/*Output
获取写锁
获取读锁
释放写锁
释放读锁
*/
锁降级还是有很多应用场景的。比如有业务需要先查缓存，发现缓存失效需要重新去数据库查询数据并修改缓存，完成修改操作后应该尽快释放写锁，减小锁的粒度。这样能让更多的读线程尽快访问到修改后的数据。不然业务逻辑半天执行不完，这期间尽管缓存数据是最新的，但是由于写锁未释放，其他线程也无法进行读操作。极大的降低了并发性。
因此在完成修改缓存后去拿读锁，然后释放写锁，这样既能保证其他线程读取到最新的数据，又能保证当前线程的后续操作使用的数据是最新的。
ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
final Lock r = readWriteLock.readLock();
final Lock w = readWriteLock.writeLock();
volatile boolean cacheValid;
@Test
public void processCachedData() {
r.lock(); //获取读锁
if (!cacheValid){ //缓存失效
r.unlock(); //先释放读锁，不允许锁升级
w.lock();
try {
if (!cacheValid){ //再次检查缓存状态，
// cache= ...
cacheValid =true; //完成缓存更新
}
r.lock(); //释放写锁前，降级为读锁
}finally {
w.unlock(); //释放写锁
}
}
try{
// ... //执行业务逻辑
}finally {
r.unlock();
}
}
2.2 写锁支持条件变量
<font color=cirmson>读锁不支持条件变量</font>，如果读锁调用newCondition（）会抛出UnsupportedOperationException异常；
<font color=dodgerblue>写锁支持条件变量</font>，锁与条件变量的搭配使用可以参考上一篇 [Lock & Condition]()。
3.ReentrantReadWriteLock原理
ReentrantReadWriteLock内部还是使用的AQS框架，通过前面的学习我们知道，在AQS中，通过 volatile int state 来表示线程锁的状态，ReentrantReadWriteLock有两把锁：读锁和写锁，它们保护的都是同一个资源，如何用一个共享变量来区分写锁和读锁的状态呢？答案就是按位拆分。
由于state是int类型的变量，在内存中占用4个字节，也就是32位。将其拆分为两部分：高16位和低16位，其中高16位用来表示读锁状态，低16位用来表示写锁状态。这样就可以用一个int变量来表示两种锁的状态，低16位写锁的加锁和释放锁操作不会发生变化，仍是state+1/state-1；但高16位的加锁和释放锁就变成了state + (1<<16)/ state-(1<<16)。
同样获取读锁和写锁的状态也有所不同：
获取读锁： state >>> 16 无符号右移16位，空的地方补0。
获取写锁： state & [(1 << 16) - 1] 相当于state & 0x0000FFFF 相当于把高16位置空，只保留低16位。
由于读锁和写锁的状态值都只占用16位，所以读锁和写锁各自可重入锁的最大数量为2^16-1。
前面说了持有锁状态表示的问题，现在来看看其具体的实现。在此之前先了解一下ReentrantReadWriteLock的类结构。
ReentrantReadWriteLock中有两个内部类，ReadLock和WriteLock，这两个类在具体实现Lock接口时，分别调用ReentrantReadWriteLock中实现AQS类的同步组件Sync的共享和独占两种加锁释放锁方式来实现各自的功能。
Sync中实现AQS中独占锁加锁tryAcquire（）和独占锁释放锁tryRelease（），以及共享锁的加锁tryAcquireShared（）和共享锁的释放锁tryReleaseShared（）。
下面的内容也是围绕这四个方法展开。
3.1 写锁加锁
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* Walkthrough
* 1. 如果读锁或者写锁其中有一个不为0，而且锁的持有者不是线程，
* 尝试获取锁失败，该方法返回false。
* 2. 如果加锁的数量满了，返回false。
* 3. 另外，重复获取或者入口等待队列允许的线程才有资格加锁，
* 修改state和锁的持有者
*/
Thread current = Thread.currentThread();
//返回state，高16代表读锁的数量，低16代表写锁的数量。
int c = getState();
//返回独占锁(也就是写锁)的数量
int w = exclusiveCount(c);
//只有读锁和写锁有一个数量不为0，state就不为0，如果state为0，
//那么没有一个线程当前在使用读写锁，可以直接让当前线程去拿写锁
if (c != 0) {
/*
1.写锁数量为0，且独占锁不是被当前线程占用，那么一定是读锁的数量不为0，
说明读锁在使用，尝试获取锁失败，对应前边提到读写锁的基本原则：
如果一个线程在读，同样也禁止写共享变量。
2.写锁不为0，但是独占锁的持有线程不是当前线程，说明其他线程在使用写锁
独占锁是互斥的，所以也会返回false。
*/
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
//判断一下重入锁的次数会不会超过2^16-1
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
/* 这里设置state时没有使用CAS，原因很简单，能走到这里的必然是
已经持有独占锁的线程来重入锁，其他情况无法通过前边的状态判断。
*/
setState(c + acquires);
return true;
}
/*state=0才能走到此处，writerShouldBlock()是用来判断是否需要排队
非公平锁：
直接返回false，然后使用CAS来修改state，如果修改成功则说明拿到锁了
那么可以继续将独占锁的持有线程设置为当前线程。
公平锁：
公平锁会调用hasQueuedPredecessors()，这个方法是判断入口等待队列
中是否有线程在等待锁。如果没有线程等待或者等待队列中排在最前边的是当前
线程，那么可以继续进行后边的CAS操作，否则返回false。
*/
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false; //返回false的后续操作在下边
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
下面附上tryAcquire()的流程图：
tryAcquire返回false的后续操作。
public final void acquire(int arg) {
//如果tryAcquire()返回false，会继续往下执行。
if (!tryAcquire(arg) &&
//这行代码是在AQS中实现的，具体步骤为把当前线程封装为一个独占锁节点，
//并加入到等待队列中，然后将当前线程阻塞
//在阻塞前还会当前线程还会再尝试一次，是否能获取到锁，
//这次尝试时，当前线程已经在等待队列中了，这个是acquireQueued()的内容。
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
3.2 写锁释放
protected final boolean tryRelease(int releases) {//realeases=1
//判断当前线程是否持有锁
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//realease是这次调用要释放持有的锁的个数，比如之前重入了3次，
//getState()返回3，releases=1，则本次释放1次，后边还需要再释放2次
//只有state为0时才算彻底释放锁，独占锁的所有线程才会置为null
int nextc = getState() - releases;
//检查是否是彻底释放锁
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
//是彻底释放锁
if (free)
//独占锁的所有线程才会置为null
setExclusiveOwnerThread(null);
//同样没用CAS，因为 if (!isHeldExclusively()),只有当前线程可以通过
setState(nextc);
return free;
}
3.3 读锁加锁
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果不是当前线程占用写锁则会返回-1，表示共享锁加锁失败
//如果是当前线程占用写锁，再申请读锁，则是被允许的，这是锁降级的过程。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
//获取读锁的数量
int r = sharedCount(c);
//这里又是公平锁和非公平的一个区别。
if (!readerShouldBlock() && //判断是否需要阻塞
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { //读锁+1
//r=0，代表读锁没被占用，下边的操作对应写(独占)锁的话则是
//设置写锁的持有者为当前线程，但是读锁是共享的，所以不能这样设置
if (r == 0) {
/*
共享锁会为每个获取ReadLock的线程创建一个HoldCounter来记录该线程
的线程ID和获取ReadLock的次数(包括重入)。并将这个HoldCounter对象
保存在线程自己的ThreadLocal中。
ThreadLocalHoldCounter readHolds;
HoldCounter cachedHoldCounter;
*/
/*
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal<HoldCounter> {
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}
static final class HoldCounter {
int count = 0;
// Use id, not reference, to avoid garbage retention
final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
设计者考虑到有些场景只有一个线程获取读锁，那么使用ThreadLocal
反而会降低性能，所以在ReentrantReadWriteLock中定义了：
private transient Thread firstReader = null;
private transient int firstReaderHoldCount;
来提供只有一个线程获取读锁的性能保障。
*/
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
//当前线程重入读锁
firstReaderHoldCount++;
} else {
//多个线程来申请读锁时会到这一步,默认会从cachedHoldCounter中拿
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
//如果rh.tid == getThreadId(current)，说明这个线程连续两次来拿读锁
//如果不等的话,则说明缓存失效了,需要重新从ThreadLocal取出HoldCounter
//顺便修改缓存
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
//上一次拿读锁的是别的线程，这个线程是第一次来拿读锁
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
//获取读锁成功
return 1;
}
//在readerShouldBlock()返回true时，或者CAS修改失败时走到这里
//在这个方法中会用自旋的方式一直获取读锁，中途写锁被其他线程持有会返回-1
return fullTryAcquireShared(current);
}
下面附上tryAcquireShared()的流程图：
3.4 读锁释放
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
/*
前边介绍了firstReader、firstReaderHoldCount
和cachedHoldCounter、readHolds，这里就很容易理解了
减少线程持有读锁个数，如果彻底释放读锁，那么还会将
firstReader或readHolds置空。
*/
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;
}
//这里是自旋CAS释放读锁的操作, 因为可能其他的线程此刻也在进行 release操作
for (;;) {
int c = getState();
//读锁是高16位，所以这里通过c-(1<<16)来释放读锁
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
/*
这里是判断读锁有没有彻底被释放，如果完全释放，后边则会以传播的方式
唤醒后继节点中共享类型的节点，成功获取读锁时也会执行唤醒后续共享类型节点
*/
return nextc == 0;
}
}
前面提到的四个方法，是Doug Lea大神留给我们的主要的发挥空间，AQS中其他核心方法都无法重写。如果需要实现自定义的同步组件，那么对这四个方法必然要深入理解，然后根据组件特性来实现独占锁或共享锁。如ReentrantLock是独占锁，所以其内部只实现了tryAcquire（）和tryRelease（）。因此本篇着重介绍了ReentrantReadWriteLock实现AQS的具体细节，没有从AQS框架整体上展开，有些地方可能不太好理解，还希望大家多多谅解。
4.总结
在ReentrantReadWriteLock中实现了独占锁和共享锁两种方式，读锁是共享的，可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，并发地读数据；写锁是独占的，每次只能被一个线程持有，其他线程要想修改共享数据，则需要排队等待。获得了读锁的线程能够看到前一个释放的写锁所更新的内容。
理论上，读写锁比互斥锁允许对于共享数据更大程度的并发。与互斥锁相比，读写锁是否能够提高性能取决于读写数据的频率、读取和写入操作的持续时间以及读线程和写线程之间的竞争。
ReentrantReadWriteLock<font color=Crimson>不支持锁的升级</font>，但是<font color=dodgerblue>支持锁的降级</font>。
ReentrantReadWriteLock的<font color=cirmson>读锁不支持条件变量</font>，但<font color=dodgerblue>写锁支持条件变量。</font>
Reference
《Java 并发编程实战》
《Java 编程思想(第4版)》
https://juejin.im/post/5dc229...
http://www.tianxiaobo.com感谢阅读！
正文到此结束
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