Java 并发包中的读写锁及其实现分析

1. 前言

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在Java并发包中常用的锁（如：ReentrantLock），基本上都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时 刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得 并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个共享的数据结构用作缓存，它大部分时间提供读服务（例如：查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。

在没有读写锁支持的（Java 5 之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行 通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键字进行同步），这样做的目的是使读操作都能读取到正确的数据，而不 会出现脏读。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，而写操作时获取写锁即可，当写锁被获取到时，后续（非当前写操作线程）的读写操作都会被 阻塞，写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式而言，变得简单明了。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁要好，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。Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如表1所示。

表1. ReentrantReadWriteLock的特性

说明

公平性选择

支持非公平(默认)和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平

重进入

该锁支持重进入，以读写线程为例：读线程在获取了读锁之后，能够再次获取读锁。而写线程在获取了写锁之后能够再次获取写锁，同时也可以获取读锁

锁降级

遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁

特性

2. 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()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2所示。

表2. ReentrantReadWriteLock展示内部工作状态的方法

描述

int getReadLockCount()

返回当前读锁被获取的次数。该次数不等于获取读锁的线程数，比如：仅一个线程，它连续获取（重进入）了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1，但该方法返回n

int getReadHoldCount()

返回当前线程获取读锁的次数。该方法在Java 6 中加入到ReentrantReadWriteLock中，使用ThreadLocal保存当前线程获取的次数，这也使得Java 6 的实现变得更加复杂

boolean isWriteLocked()

判断写锁是否被获取

int getWriteHoldCount()

返回当前写锁被获取的次数

方法名称

接下来通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，示例代码如代码清单1所示。

代码清单1. Cache.java

 
 
      
  
  1. public class Cache { 
    2.   
  
  2.   static Map map = new HashMap(); 
    3.   
  
  3.   static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock(); 
    4.   
  
  4.   static Lock r = rwl.readLock(); 
    5.   
  
  5.   static Lock w = rwl.writeLock(); 
    6.   
  
  6.   // 获取一个key对应的value 
    7.   
  
  7.   public static final Object get(String key) { 
    8.   
  
  8.     r.lock(); 
    9.   
  
  9.     try { 
    10.   
  
  10.       return map.get(key); 
    11.   
  
  11.     } finally { 
    12.   
  
  12.       r.unlock(); 
    13.   
  
  13.     } 
    14.   
  
  14.   } 
    15.   
  
  15.   // 设置key对应的value，并返回旧有的value 
    16.   
  
  16.   public static final Object put(String key, Object value) { 
    17.   
  
  17.     w.lock(); 
    18.   
  
  18.     try { 
    19.   
  
  19.       return map.put(key, value); 
    20.   
  
  20.     } finally { 
    21.   
  
  21.       w.unlock(); 
    22.   
  
  22.     } 
    23.   
  
  23.   } 
    24.   
  
  24.   // 清空所有的内容 
    25.   
  
  25.   public static final void clear() { 
    26.   
  
  26.     w.lock(); 
    27.   
  
  27.     try { 
    28.   
  
  28.       map.clear(); 
    29.   
  
  29.     } finally { 
    30.   
  
  30.       w.unlock(); 
    31.   
  
  31.     } 
    32.   
  
  32.   } 
    33.   
  
  33. } 
    34.

上述示例中，Cache组合了一个非线程安全的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)和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当写锁被获取后，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。

3. 读写锁的实现分析

接下来将分析ReentrantReadWriteLock的实现，主要包括：读写状态的设计、写锁的获取与释放、读锁的获取与释放以及锁降级（以下没有特别说明读写锁均可认为是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 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，读写锁是将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写，划分方式如图1所示。

图1. 读写锁状态的划分方式

如图1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。读写锁是如何迅速的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 + 0×00010000。

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。

3.2 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清单2所示。

代码清单2. ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法

 
 
      
  
  1. protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
    2.   
  
  2.   Thread current = Thread.currentThread(); 
    3.   
  
  3.   int c = getState(); 
    4.   
  
  4.   int w = exclusiveCount(c); 
    5.   
  
  5.   if (c != 0) { 
    6.   
  
  6.     // 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程 
    7.   
  
  7.     if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) 
    8.   
  
  8.       return false; 
    9.   
  
  9.     if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) 
    10.   
  
  10.       throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
    11.   
  
  11.     setState(c + acquires); 
    12.   
  
  12.     return true; 
    13.   
  
  13.   } 
    14.   
  
  14.   if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) { 
    15.   
  
  15.     return false; 
    16.   
  
  16.   } 
    17.   
  
  17.   setExclusiveOwnerThread(current); 
    18.   
  
  18.   return true; 
    19.   
  
  19. } 
    20.

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所获取，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。

3.3 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，读锁总会成功的被获取，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，比如：getReadHoldCount()方法，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，代码如代码清单3所示。

代码清单3. ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法

 
 
      
  
  1. protected final int tryAcquireShared(int unused) { 
    2.   
  
  2.   for (;;) { 
    3.   
  
  3.     int c = getState(); 
    4.   
  
  4.     int nextc = c + (1 << 16); 
    5.   
  
  5.     if (nextc < c) 
    6.   
  
  6.       throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
    7.   
  
  7.     if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread()) 
    8.   
  
  8.       return -1; 
    9.   
  
  9.     if (compareAndSetState(c, nextc)) 
    10.   
  
  10.       return 1; 
    11.   
  
  11.   } 
    12.   
  
  12. } 
    13.

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。

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

3.4 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，***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的进行数据处理，当数据变更后，当前线程如果感知到数据变化，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，示例代码如代码清单4所示。

代码清单4. processData方法

 
 
      
  
  1. public void processData() { 
    2.   
  
  2.   readLock.lock(); 
    3.   
  
  3.   if (!update) { 
    4.   
  
  4.     // 必须先释放读锁 
    5.   
  
  5.     readLock.unlock(); 
    6.   
  
  6.     // 锁降级从写锁获取到开始 
    7.   
  
  7.     writeLock.lock(); 
    8.   
  
  8.     try { 
    9.   
  
  9.       if (!update) { 
    10.   
  
  10.         // 准备数据的流程（略） 
    11.   
  
  11.         update = true; 
    12.   
  
  12.       } 
    13.   
  
  13.       readLock.lock(); 
    14.   
  
  14.     } finally { 
    15.   
  
  15.       writeLock.unlock(); 
    16.   
  
  16.     } 
    17.   
  
  17.     // 锁降级完成，写锁降级为读锁 
    18.   
  
  18.   } 
    19.   
  
  19.   try { 
    20.   
  
  20.     // 使用数据的流程（略） 
    21.   
  
  21.   } finally { 
    22.   
  
  22.     readLock.unlock(); 
    23.   
  
  23.   } 
    24.   
  
  24. } 
    25.

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，而其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前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。主要原因是保证数据的可见性，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，则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，***释放读锁的过程）。原因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不可见。

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