Java多线程读写锁ReentrantReadWriteLock类详解

2024-04-02 19:55

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真实的多线程业务开发中，最常用到的逻辑就是数据的读写，ReentrantLock虽然具有完全互斥排他的效果（即同一时间只有一个线程正在执行lock后面的任务），这样做虽然保证了实例变量的线程安全性，但效率却是非常低下的。所以在JDK中提供了一种读写锁ReentrantReadWriteLock类，使用它可以加快运行效率。

读写锁表示两个锁，一个是读操作相关的锁，称为共享锁；另一个是写操作相关的锁，称为排他锁。

下面我们通过代码去验证下读写锁之间的互斥性

ReentrantReadWriteLock

读读共享

首先创建一个对象，分别定义一个加读锁方法和一个加写锁的方法，


public class MyDomain3 {
 
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
 
    public void testReadLock() {
        try {
            lock.readLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 获取读锁");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }
 
    public void testWriteLock() {
        try {
            lock.writeLock().lock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + " 获取写锁");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
 
}

创建线程类1 调用加读锁方法


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);
    }

执行结果：


1639621812838 获取读锁
1639621812839 获取读锁

可以看出两个读锁几乎同时执行，说明读和读之间是共享的，因为读操作不会有线程安全问题。

写写互斥

创建线程类2，调用加写锁方法


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);
    }

执行结果：


1639622063226 获取写锁
1639622064226 获取写锁

从时间上看，间隔是1000ms即1s，说明写锁和写锁之间互斥。

读写互斥

再用线程1和线程2分别调用读锁与写锁


@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);
    }

执行结果：


1639622338402 获取读锁
1639622339402 获取写锁

从时间上看，间隔是1000ms即1s，和代码里面是一致的，证明了读和写之间是互斥的。

注意一下，"读和写互斥"和"写和读互斥"是两种不同的场景，但是证明方式和结论是一致的，所以就不证明了。

最终测试结果下：

1、读和读之间不互斥，因为读操作不会有线程安全问题
2、写和写之间互斥，避免一个写操作影响另外一个写操作，引发线程安全问题
3、读和写之间互斥，避免读操作的时候写操作修改了内容，引发线程安全问题

总结起来就是，多个Thread可以同时进行读取操作，但是同一时刻只允许一个Thread进行写入操作。

源码分析

读写锁中的Sync也是同样实现了AQS，回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而读写锁的自定义同步器需要在同步状态（一个整型变量）上维护多个读线程和一个写线程的状态，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。

读写锁将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写

当前同步状态表示一个线程已经获取了写锁，且重进入了两次，同时也连续获取了两次读锁。读写锁是如何迅速确定读和写各自的状态呢？


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;
 

static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }

static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

其实是通过位运算。假设当前同步状态值为c，写状态等于c & EXCLUSIVE_MASK (c&0x0000FFFF（将高16位全部抹去）)，读状态等于c>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于c+1，当读状态增加1时，等于c+(1<<16)，也就是c+0x00010000。

根据状态的划分能得出一个推论：c不等于0时，当写状态（c & 0x0000FFFF）等于0时，则读状态（c>>>16）大于0，即读锁已被获取。

写锁的获取与释放

通过上面的测试，我们知道写锁是一个支持重入的排它锁，看下源码是如何实现写锁的获取


protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            
            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，简单说了下整个方法的实现逻辑，这里要夸一下，这段注释就很容易的让人知道代码的功能。下面我们分析一下，第13到第15行，分别拿到了当前线程对象current，lock的加锁状态值c 以及写锁的值w，c!=0 表明当前处于有锁状态，再继续分析第16行到25行，有个关键的Note：(Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)：简单说就是：如果一个有锁状态但是没有写锁，那么肯定加了读锁。

第18行if条件，就是判断加了读锁，但是当前线程不是锁拥有的线程，那么获取锁失败，证明读写锁互斥。

第20行到第25行，走到这步，说明 w !=0 ，已经获取了写锁，只要不超过写锁最大值，那么增加写状态然后就可以成功获取写锁。

如果代码走到第26行，说明c==0，当前没有加任何锁，先执行 writerShouldBlock()方法，此方法用来判断写锁是否应该阻塞，这块是对公平与非公平锁会有不同的逻辑，对于非公平锁，直接返回false，不需要阻塞，下面是公平锁执行的判断


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());
    }

对于公平锁需要判断当前等待队列中是否存在等于当前线程并且正在排队等待获取锁的线程。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对后续读写线程可见。

读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取。JDK源码如下：


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，如果写锁被其他线程持有，则直接返回false，获取读锁失败，证明不同线程间写读互斥。

第8行，readerShouldBlock() 获取读锁是否应该阻塞，这儿也同样要区分公平锁和非公平锁，公平锁模式需要判断当前等待队列中是否存在等于当前线程并且正在排队等待获取锁的线程，存在则获取读锁需要等待。

非公平锁模式需要判断当前等待队列中第一个是等待写锁的，则方法返回true，获取读锁需要等待。

fullTryAcquireShared() 主要是处理读锁获取的完整版本，它处理tryAcquireShared()中没有处理的CAS错误和可重入读锁的处理逻辑。