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ReentrantReadWriteLock原理解析

Java JDK 11 ReentrantReadWriteLock 原理分析

1、前言

希望在阅读本文之前,建议先看一下以下三篇文章:

1、面试必备:Java AQS 实现原理(图文)分析

2、面试必备:Java AQS Condition的实现分析

3、面试必备:Java Volatile的内存语义与AQS锁内存可见性

读完了以上三篇文章,先看一下ReentrantReadWriteLock的代码路径:

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package java.util.concurrent.locks;

来先猜一下ReentrantReadWriteLock会如何实现?

都在java.util.concurrent包下,那么可以明确一点,那就是关于锁的实现,应该用的就是AQS,那么,读锁、写锁会不会对应的就是AQS中的共享模式与独占模式?

2、读写锁使用场景

读是多于写(比如cache)

一般情况下,读写锁的性能都会比排它锁好,因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下,读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。

3、读写锁接口:ReadWriteLock

代码地址:ReadWriteLock

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public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading
*/
Lock readLock();

/**
* Returns the lock used for writing.
*
* @return the lock used for writing
*/
Lock writeLock();
}

4、读写锁的接口与示例

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法,即readLock()方法和writeLock()方法,而其实现:ReentrantReadWriteLock,除了接口方法之外,还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法,这些方法以及描述如表所示:


接下来,通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式,示例代码如下:

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public class Cache {
static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock r = rwl.readLock();
static Lock w = rwl.writeLock();

// 获取一个key对应的value
public static final Object get(String key) {
r.lock();

try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}

// 设置key对应的value,并返回旧的value
public static final Object put(String key, Object value) {
w.lock();

try {
return map.put(key, value);
} finally {
w.unlock();
}
}

// 清空所有的内容
public static final void clear() {
w.lock();

try {
map.clear();
} finally {
w.unlock();
}
}
}

上述示例中,Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现,同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中,需要获取读锁,这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作put(String key,Object value)方法和clear()方法,在更新HashMap时必须提前获取写锁,当获取写锁后,其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞,而只有写锁被释放之后,其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性,也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性,同时简化了编程方式。

5、ReentrantReadWriteLock脉络梳理

代码地址:ReentrantReadWriteLock

先看一下继承结构:


再看一下代码结构:


图中可以看出ReentrantReadWriteLock的实现还是比较复杂的,所以接下来主要分析ReentrantReadWriteLock实现关键点,包括:

  • 读写状态的设计
  • 写锁的获取与释放
  • 读锁的获取与释放
  • 锁降级

5.1 读写状态的设计

读写锁同样依赖自定义同步器来实现同步功能,而读写状态就是其同步器的同步状态。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。

如果在一个整型变量上维护多种状态,就一定需要“按位切割使用”这个变量,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,划分方式如下图所示:

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?

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

1、0x0000FFFF=00000000000000001111111111111111(16个0 16个1)

2、>>>: 无符号右移,忽略符号位,空位都以0补齐

3、0x00010000=10000000000000000(1个1 16个0)

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

5.2 写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排它锁。如果当前线程已经获取了写锁,则增加写状态。如果当前线程在获取写锁时,读锁已经被获取(读状态不为0)或者该线程不是已经获取写锁的线程,则当前线程进入等待状态,获取写锁的代码如代码如下:

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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) {
// 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
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;
}

该方法除了重入条件(当前线程为获取了写锁的线程)之外,增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁,则写锁不能被获取,原因在于:读写锁要确保写锁的操作对读锁可见,如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取,那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此,只有等待其他读线程都释放了读锁,写锁才能被当前线程获取,而写锁一旦被获取,则其他读写线程的后续访问均被阻塞。

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。

5.3 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,在没有其他写线程访问(或者写状态为0)时,读锁总会被成功地获取,而所做的也只是(线程安全的)增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁,则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时,写锁已被其他线程获取,则进入等待状态。获取读锁的实现从Java 5到Java 6变得复杂许多,主要原因是新增了一些功能,例如getReadHoldCount()方法,作用是返回当前线程获取读锁的次数。读状态是所有线程获取读锁次数的总和,而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中,由线程自身维护,这使获取读锁的实现变得复杂。因此,这里将获取读锁的代码做了删减,保留必要的部分,如代码如下:

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protected final int tryAcquireShared(int unused) {
for (;;) {
int c = getState();
int nextc = c + (1 << 16);
if (nextc < c)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
return -1;
if (compareAndSetState(c, nextc))
return 1;
}
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中,如果其他线程已经获取了写锁,则当前线程获取读锁失败,进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取,则当前线程(线程安全,依靠CAS保证)增加读状态,成功获取读锁。

读锁的每次释放(线程安全的,可能有多个读线程同时释放读锁)均减少读状态,减少的值是(1<<16)。

5.4 锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁,然后将其释放,最后再获取读锁,这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住(当前拥有的)写锁,再获取到读锁,随后释放(先前拥有的)写锁的过程。

接下来看一个锁降级的示例。因为数据不常变化,所以多个线程可以并发地进行数据处理,当数据变更后,如果当前线程感知到数据变化,则进行数据的准备工作,同时其他处理线程被阻塞,直到当前线程完成数据的准备工作,如代码如下所示:

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public void processData() {
readLock.lock();
if (!update) {
// 必须先释放读锁
readLock.unlock();
// 锁降级从写锁获取到开始
writeLock.lock();
try {
if (!update) {
// 准备数据的流程(略)
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}
// 锁降级完成,写锁降级为读锁
}
try {
// 使用数据的流程(略)
} finally {
readLock.unlock();
}
}

上述示例中,当数据发生变更后,update变量(布尔类型且volatile修饰)被设置为false,此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化,但只有一个线程能够获取到写锁,其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后,再获取读锁,随后释放写锁,完成锁降级。

锁降级中读锁的获取是否必要呢?答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性,如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁,假设此刻另一个线程(记作线程T)获取了写锁并修改了数据,那么当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁,即遵循锁降级的步骤,则线程T将会被阻塞,直到当前线程使用数据并释放读锁之后,线程T才能获取写锁进行数据更新。

RentrantReadWriteLock不支持锁升级(把持读锁、获取写锁,最后释放读锁的过程)。目的也是保证数据可见性,如果读锁已被多个线程获取,其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据,则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。

6、小结

RentrantReadWriteLock的具体流程梳理完了,回过头来想一下前言的问题,好像并没有得到答案,那么来到ReentrantReadWriteLock代码中,此处主要看一下读锁的获取、释放是否对应AQS中的共享模式。

6.1 读锁的获取、释放

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public void lock() {
//看到这里是不是就明白了,我们的猜想是正确的
sync.acquireShared(1);
}
public void unlock() {
//看到这里是不是就明白了,我们的猜想是正确的
sync.releaseShared(1);
}

先来看一下ReadLock的具体实现,在ReentrantReadWriteLock初始化的时候,会在构造函数中初始化ReadLock、WriteLock,具体代码如下:

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public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}

从ReentrantReadWriteLock构造函数的代码中,可以看到ReadLock初始化的参数是ReentrantReadWriteLock,那么ReadLock需要ReentrantReadWriteLock来做什么呢?

来看一下ReadLock:

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private final Sync sync;
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}

从ReadLock的构造函数中,可以看出,ReadLock需要获取到Sync,那么Sync是谁,又是用来做什么的?

其实,如果看过JUC下面代码的话,看到Sync,就明白它应该就是AQS的实现类,通过它来实现相关锁的操作。

来看一下代码验证一下:

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/**
* Synchronization implementation for ReentrantReadWriteLock.
* Subclassed into fair and nonfair versions.
*/
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//具体代码略
}

看到这里可以大体得出这么一个结果:ReadLock获取锁的时候,是通过ReentrantReadWriteLock 内部Sync类来获取的共享锁,也就是读锁的获取是对应AQS中的共享模式。

点进 sync.acquireShared(1)方法,可以看到是调用Sync的父类AQS中方法:

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public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}

看到这里,也就明白为啥AQS子类需要重写:

  • tryAcquire
  • tryRelease
  • tryReleaseShared
  • isHeldExclusively

等方法了。

7、参考资料

本文第4、5小节整理自:《Java并发编程的艺术》

jiankunking wechat
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