JUC源碼學習筆記6——ReentrantReadWriteLock

系列文章目錄和關於我
閱讀此文需要有AQS獨佔和AQS共享的源碼功底，推薦閱讀：

1.JUC源碼學習筆記1——AQS獨佔模式和ReentrantLock

2.JUC源碼學習筆記2——AQS共享和Semaphore，CountDownLatch

一丶類結構和源碼注釋解讀

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1.ReadWriteLock

維護了一對關聯鎖，一個用於只讀操作，另一個用於寫入。讀讀可以共享資源，因為不會造成數據的變更，讀寫，寫寫互斥，因為讀寫可能造成臟讀,幻讀,不可重複讀等錯誤，寫寫可能造成臟寫等錯誤（ps：有點mysql innodb隔離級別的味道，只是mysql innodb 使用mvcc多版本並發控制讓並發能力更高，當然innodb也有S鎖，和X鎖，類似於讀寫鎖一樣對並發事務進行控制）。讀寫鎖在訪問共享數據時允許比互斥鎖更高級別的並發性。與使用互斥鎖相比，讀寫鎖是否會提高性能取決於數據被讀取的頻率，讀寫鎖適用於讀多寫少的情況，如果寫操作變得頻繁，那麼數據的大部分時間都被獨佔鎖定，並發性幾乎沒有增加。

讀寫鎖面臨的問題：

  • 寫鎖被釋放時，存在多個執行緒拿讀鎖，和多個執行緒拿寫鎖，是將鎖給讀執行緒還是寫執行緒呢，通常情況下都是給寫鎖的，因為我們認為寫操作沒用讀操作頻繁。如果讀操作非常頻繁，且持有讀鎖的時間很長，寫鎖需要等待所有讀鎖釋放才能獲取，這樣將造成寫鎖長時間無法獲取鎖。當然這種情況下可以使用」公平「的策略，先來後到獲取鎖
  • 鎖是否可重入，讀鎖是否可重入，寫鎖是否可重入
  • 讀鎖是否可以升級為寫鎖，寫鎖是否可以降級為讀鎖

2.ReentrantReadWriteLock

ReadWriteLock的一個實現，它具備以下特性。

2.1支援公平和非公平

  • 非公平

    非公平情況下，會導致沒拿到鎖的執行緒處於」飢餓「狀態，但是擁有更高的吞吐率。為什麼？我認為是公平情況下需要排隊，排隊的執行緒會被LockSupport.park掛起，意味著釋放鎖的時候需要使用LockSupport.unpark喚醒排隊的執行緒，這時候並不允許其他執行緒搶佔先機，喚醒是需要時間的，公平情況下這一段時間鎖是沒用被任何執行緒獲取鎖的，所以說吞吐率不如非公平鎖。

  • 公平

    當構造為公平時，執行緒已近似到達順序策略來競爭進入（CAS入隊的順序，為什麼說是近似順序，入隊的瞬間存在消耗完時間片，讓老六執行緒搶先一步，這個順序是cpu決定的，並不是絕對時間上的先後順序）。當前持有的鎖被釋放時，等待時間最長的單個寫入執行緒將被分配寫入鎖，或者如果有一組讀取執行緒等待時間超過所有等待的寫入執行緒，則該組將被分配讀取鎖（這裡的意思是說，如果寫鎖排在隊列頭部，那麼寫鎖被持有，如果隊列頭部是一堆讀鎖，那麼讀鎖被持有）。

    公平情況下，如果寫鎖被持有，或者存在等待寫鎖的執行緒，那麼在此之後獲取讀鎖的執行緒會被阻塞。在最早等待獲取寫鎖的執行緒沒有釋放鎖的情況下，其他執行緒是無法獲取讀鎖的，除非等待獲取寫鎖的執行緒，放棄獲取寫鎖並在AQS隊列中不存在其他等待寫鎖的執行緒位於讀鎖之前。

    注意，非阻塞ReentrantReadWriteLock.ReadLock.tryLock（）和ReentrandReadWriterLock.WriteLock.tryLock（）方法不支援這種公平設置，如果可能的話，不管等待的執行緒如何，都會立即獲取鎖

2.2 可重入，寫鎖降級為讀鎖，讀鎖無法升級為寫鎖

ReentrantReadWriteLock允許讀執行緒和寫執行緒以ReentrantLock類似的方式重新獲取讀或寫鎖。“此外，獲取寫鎖的執行緒可以獲取讀讀鎖，僅持有讀鎖的執行緒試圖獲取寫鎖，它將死鎖。注釋裡面還提了一嘴這個重入，以及寫鎖可以拿到讀鎖有啥用——A方法獲取寫鎖，調用B方法，B方法是讀取數據進行校驗，這時候B需要獲取讀鎖，B調用C方法，C也需要獲取讀鎖，這些方法可以正常進行，可以看出重入和寫鎖可降級的用處了吧

可以先持有寫鎖，然後獲取讀鎖（這時候肯定直接可以拿到）然後釋放掉寫鎖，將寫鎖降級為讀鎖，這種使用方式可以保證，持有寫鎖的執行緒一定可以成功拿到讀鎖。

2.3讀寫鎖都支援等待獲取鎖的途中響應中斷

這是synchronized所不支援的，在ReentrantLock源碼解讀中，解讀過源碼，重點是LockSupport.park方法掛起執行緒A，執行緒A有兩種方式可以從LockSupport.park中返回：1.被unpark，2.被中斷。源碼的實現是如果不支援等待鎖的途中中斷，會記錄下當前執行緒被中斷過，然後Thread.interrupted()重置中斷標註（因為中斷的執行緒無法再次被park）然後繼續park當前執行緒，讓其等待鎖，獲取到鎖之後，發現之前被中斷過會自我中斷補上中斷標誌。在獲取鎖的途中響應中斷，則是從LockSupport.park檢查中斷標誌，如果被中斷了說明是由於中斷從LockSupport.park中返回，這時候將拋出中斷異常。

2.4 寫鎖支援基於Condition的等待喚醒

寫鎖支援Condition，但是讀鎖不支援Condition等待喚醒，讀鎖本身是共享的，需要所有讀鎖釋放後才有必要喚醒寫鎖。

二丶讀寫鎖使用範例

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這裡使用讀寫鎖實現了一個執行緒安全，讀寫分離的TreeMap，doug lea還提醒到想讓這個TreeMap並發性能很好，必須實在讀多寫少的情況下。

三丶屬性和構造方法

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可以看到讀寫鎖，內部使用final修飾讀鎖和寫鎖，然後通過writeLock,readLock兩個方法將鎖暴露出去。有意思的是其構造方法，構造讀寫鎖把this傳遞了進去

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可以看到傳遞this的目的，是讓讀寫鎖使用sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();生成的AQS子類對象，讓讀寫鎖使用同一個Sync對象，這樣才能做到讀寫互斥，下面我們分析FairSync,NonfairSync是怎麼一回事

三丶源碼解析

1.FairSync，NonfairSync類結構

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熟悉的套路，把具體鎖的實現，放到內部類Sync中，讀寫鎖只是調用對應的Sync的方法，整個Sync內容內容很多，我們先看具體源碼，Sync自然就柳暗花明了。

2.讀鎖加鎖-ReadLock#lock

2.1源碼解析

問題：
讀鎖如何實現公平，
讀鎖如何實現重入（重入需要記錄獲取次數，那麼doug lea 如何實現的），
寫鎖被獲取如何讓其他執行緒無法獲取讀鎖，寫鎖如何降級為讀鎖
獲取讀鎖然後獲取寫鎖為啥會死鎖

ReadLock的lock方法直接調用Sync的acquireShared(1)方法，此方法在AQS中進行了實現

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最終是調用Sync的tryAcquireShared方法

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    //當前執行緒
    Thread current = Thread.currentThread();
	//狀態 低16為寫鎖重入次數 高16位讀鎖被多少個執行緒持有
    int c = getState();
    
    //寫鎖被佔有 且不是自己佔有寫鎖 返回-1 表示獲取失敗，這個時候會共享入隊
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    
    //寫鎖共享次數
    int r = sharedCount(c);
    //readerShouldBlock 公平情況下就是看前面是否有人排隊
    //非公平情況下就是看頭結點的下一個節點是否是共享模式，如果是共享說明，寫鎖被持有多個讀鎖都被阻塞了
    if (!readerShouldBlock() &&
        //讀鎖被持有小於最大值
        r < MAX_COUNT &&
        //CAS更改成功讀鎖數量
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        //當前讀鎖是第一個拿讀鎖的
        if (r == 0) {
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {//讀鎖執行緒再次獲取讀鎖
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            //記錄當前執行緒持有讀鎖數量
            //利用ThreadLocal進行記錄
            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;
    }
    
    //到這 1.當前執行緒需要排隊，2.讀鎖被持有數量大於最大值 3.CAS失敗，多個執行緒在拿讀鎖
    return fullTryAcquireShared(current);
}

這段程式碼可以看做兩部分，最後一句return之前的內容，我稱為快速獲取寫鎖，fullTryAcquireShared我稱之為完全嘗試獲取寫鎖

  • 快速獲取寫鎖

    首先如果發現獨佔鎖重入數量不為0，且獨佔的執行緒不是自己，也就是說當前寫鎖被其他執行緒持有，那麼直接返回-1，這裡可以看出寫鎖被持有，其他執行緒無法獲取讀鎖

    其次readerShouldBlock這個方法返回true 代表當前讀執行緒需要阻塞，什麼是否需要阻塞？

    1. 公平鎖FairSync的邏輯是看是否有排隊的執行緒，前面有人排隊為什麼說讀執行緒需要阻塞——說明寫鎖被持有，多個讀執行緒在排隊，這時候是看是否有人排隊，這是公平的體現
    2. 非公平鎖是看第一個排隊的執行緒是否是獨佔模式，這是不公平的體現，如果第一個排隊的執行緒是共享模式，那麼還是會嘗試獲取鎖，相當於插隊

    douglea，使用CAS修改state記錄寫鎖被多少執行緒持有，這裡CAS是因為可能存在多個執行緒獲取讀鎖，修改成功後，會用ThreadLocal記錄當前這個執行緒寫鎖重入數量

  • 完全獲取寫鎖

    進入完全獲取寫鎖的條件

    1. if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current)判斷寫鎖沒有被持有，但是readerShouldBlock發現讀執行緒需要排隊，可能是突然寫鎖被持有，也可能是讀鎖被很多執行緒持有，當前執行緒需要排隊
    2. cas更新state失敗，意味著多個執行緒獲取寫鎖，當前執行緒cas失敗，有點類似之前AQS中的快速入隊

    完全獲取寫鎖的邏輯和快速類似，但是它是自選+CAS保證，要麼獲取到寫鎖，要麼返回-1進行排隊

2.2讀鎖如何實現公平

上面說到了，是readerShouldBlock來實現公平，在公平鎖的情況下，加入當前寫鎖被持有，多個讀執行緒在排隊，如 A->B->C,然後執行緒D嘗試獲取讀鎖，這時候是看隊列中是否有排隊的執行緒，如果有那麼執行緒D會進行排隊。

非公平鎖是看第一個排隊的執行緒是否是獨佔模式，如果隊列頭是獨佔，那麼會進行排隊，這樣做的目的是避免寫執行緒一直飢餓，如果不是那麼會嘗試獲取鎖，這相當於廁所門口多人（讀執行緒）排隊，你硬搶，是非公平的體現

2.3讀鎖如何實現重入（重入需要記錄獲取次數，那麼doug lea 如何實現的）

對於第一個獲取寫鎖的執行緒，它會使用firstReader,firstReaderHoldCount記錄執行緒和其重入數量，對於後面獲取寫鎖的執行緒，會使用ThreadLocal進行記錄

2.4寫鎖被獲取如何讓其他執行緒無法獲取讀鎖，寫鎖如何降級為讀鎖

首先快速獲取讀鎖的有如下判斷

 if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;

如果持有寫鎖的執行緒不是當前執行緒，那麼返回-1，進行排隊，在完全入隊的自旋中也有這一段邏輯

如果當前執行緒就是持有寫鎖的執行緒則不會返回-1，依舊還是自旋+CAS獲取讀鎖，從而獲取到讀鎖

然後此時執行緒再釋放寫鎖，就實現了寫鎖降級為讀鎖。

2.5獲取讀鎖然後獲取寫鎖為啥會死鎖

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執行上述程式碼，你會發現發生了死鎖，make it永遠不會列印出來，為啥呢？這裡需要我們看完寫鎖獲取的源碼。

3.讀鎖釋放ReadLock#unLock

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    
    //更新當前執行緒的重入數量
    if (firstReader == current) {
        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;
    }
    
    //cas改變state 
    for (;;) {
        int c = getState();
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

源碼不難，主要兩部分

  1. 更改ThreadLocal，或者是firstReaderHoldCount中記錄的當前執行緒寫鎖重入數量

    如果是第一個獲取寫鎖的執行緒那麼firstReaderHoldCount--完全釋放的時候firstReader設置為null

    如果不是第一個或者說第一個執行緒重入2次，釋放3此，都會進入到else分支，減少ThreadLocal中記錄的重入數量，如果發現釋放次數>重入次數，會拋出異常

  2. cas改變state，state使用低16位記錄寫鎖重入數量，使用高16為記錄讀鎖重入數量

    低16位 = 寫鎖重入數

    高16位 = 每一個讀鎖持有執行緒的重入數之和

    這裡需要使用CAS修改state，因為存在多個讀執行緒同時釋放讀鎖的情況

讀鎖的tryLock lockInterruptibly()還是哪些老套路，沒啥好看的

4.寫鎖加鎖-WriteLock#Lock

問題
寫鎖如何實現公平，
寫鎖如何實現重入（重入需要記錄獲取次數，那麼doug lea 如何實現的），
獲取讀鎖然後獲取寫鎖為啥會死鎖

4.1.源碼解析

寫鎖加鎖調用的是AQS的acquire方法

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我們在AQS獨佔源碼分析中，說到過，如果tryAcquire失敗，意味著後續會調用acquireQueued入隊然後獲取鎖後才能出隊，其中selfInterrupt是為了將獲取鎖途中受到的中斷補上，tryAcquire被讀寫鎖中的Sync內部類重寫，如下

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
    		//寫鎖被重入數
            int w = exclusiveCount(c);
            //c!=0說明寫鎖或者讀鎖至少有一個鎖被持有
    		if (c != 0) {
			   //w == 0說明讀鎖被持有，那麼寫鎖需要阻塞返回false
                //w!=0 但是 current != getExclusiveOwnerThread() 說明寫鎖被其他執行緒持有
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                //到這說明寫鎖被當前執行緒持有，那麼執行緒不需要使用CAS
                //確保重入數不能大於 MAX_COUNT
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                
                //重入+1
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
    		
    		//writerShouldBlock——寫鎖是否需要阻塞
    		//公平鎖的情況下：如果有排隊的執行緒 那麼返回true
    		//非公平的情況下，恆定返回false
            if (writerShouldBlock() ||
                //如果cas失敗 說明寫鎖被其他執行緒持有 那麼返回false需要進行排隊 寫寫互斥
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;
    		
    		//到此說明當前執行緒 拿到了寫鎖 記錄下獨佔的執行緒
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }

源碼相比於共享更簡單，主要分為兩部分

  1. 寫鎖或者讀鎖被持有

    這部分的重點在於處理重入

    C!=0說明state不為0，那麼寫或者讀鎖必定有一種鎖被持有,然後(w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()，如果w==0成立，說明讀鎖被持有了，這時候直接返回false，因為讀寫互斥，如果w!=0說明此時寫鎖被持有，繼續判斷current != getExclusiveOwnerThread()，當前執行緒是否是持有寫鎖的執行緒，如果不是返回false，說明寫鎖被其他執行緒持有。

    如果當前執行緒就是持有寫鎖的執行緒，接下來就是使用setState設置重入數量，這一步不需要CAS，本身便是執行緒安全的

  2. 寫鎖和讀鎖都未被持有

    這裡的未被持有，是上面第一個if中的判斷結果，也許第一個if執行完就有其他執行緒獲取到了讀鎖或者寫鎖

    首先writerShouldBlock判斷寫執行緒是否需要阻塞，在公平情況下是看是否具備排隊的執行緒，非公平情況下恆定返回false，只有第一個if結束有其他執行緒搶先獲取了寫鎖，並且後續有其他執行緒獲取鎖，才可能出現公平情況下判斷得到有排隊的執行緒，這是一種公平的體現，其他執行緒在排隊那麼當前獲取鎖的執行緒也需要加入隊列尾部。非公平情況下，writerShouldBlock恆定返回false，這裡可以看出寫鎖偏好——即使前面有A已經獲取了寫鎖，BC兩個執行緒排隊獲取讀鎖，非公平情況下，只要A釋放了寫鎖的一瞬間，當前執行緒可不管釋放有人排毒，就是一個CAS搶鎖，這裡即是非公平也是寫鎖偏好的體現

    compareAndSetState(c, c + acquires)這便是當前執行緒CAS搶鎖，保證執行緒安全，後續如果搶鎖成功 setExclusiveOwnerThread(current)記錄寫鎖被當前執行緒獲取。

4.2寫鎖如何實現公平

上面說到，公平情況下，寫鎖的獲取需要看是否具備排隊的執行緒，如果具備其他執行緒排隊，那麼直接返回false，這樣會讓當前執行緒調用acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)進行排隊並等待其他執行緒釋放鎖後等待，這便是公平。

4.3寫鎖如何實現重入（重入需要記錄獲取次數，那麼doug lea 如何實現的）

和ReentrantLock一樣，通過state記錄重入數量，只是低16位才是寫鎖的重入數量，每當寫鎖被重入便setState進行記錄

4.4獲取讀鎖然後獲取寫鎖為啥會死鎖

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前面讀鎖加鎖解讀，我們就拋出了這個問題，這裡我們結合寫鎖加鎖源碼看下，為什麼會死鎖

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5.寫鎖釋放鎖-WriteLock#unLock

寫鎖的釋放就是調用內部類Sync的release方法，此方法會調用tryRelease如果返回true後續會喚醒其他等待的執行緒

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ReentrantReadWriteLock內部類Sync的tryRelease方法如下

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這裡首先會判斷當前執行緒釋放是獨佔寫鎖的執行緒，如果不是那麼就是其他執行緒想釋放持有寫鎖執行緒的鎖，這是不允許的

然後計算釋放後的重入數量，這裡一般是重入數量-1，如果減少重入後的數量為0，那麼free為true，這意味著完全釋放了寫鎖，會將獨佔寫鎖的執行緒屬性置為null，如果free為true這個方法結束後就會調用AQS中的unparkSuccessor喚醒其他執行緒

setState改變重入數量，這裡不需要加鎖因為還沒有喚醒其他執行緒，所以此時不會存在執行緒安全問題，這是獨佔釋放和共享釋放的一個區別，共享鎖的釋放需要使用自旋+CAS保證執行緒安全的更新state

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