死磕 java同步系列之ReentrantReadWriteLock源码解析

柔情只为你懂 2022-01-14 14:31 320阅读 0赞

## 问题 ##

（1）读写锁是什么？

（2）读写锁具有哪些特性？

（3）ReentrantReadWriteLock是怎么实现读写锁的？

（4）如何使用ReentrantReadWriteLock实现高效安全的TreeMap？

## 简介 ##

读写锁是一种特殊的锁，它把对共享资源的访问分为读访问和写访问，多个线程可以同时对共享资源进行读访问，但是同一时间只能有一个线程对共享资源进行写访问，使用读写锁可以极大地提高并发量。

## 特性 ##

读写锁具有以下特性：

可以看到，读写锁除了读读不互斥，读写、写读、写写都是互斥的。

那么，ReentrantReadWriteLock是怎么实现读写锁的呢？

## 类结构 ##

在看源码之前，我们还是先来看一下ReentrantReadWriteLock这个类的主要结构。

![ReentrantReadWriteLock][]

ReentrantReadWriteLock中的类分成三个部分：

（1）ReentrantReadWriteLock本身实现了ReadWriteLock接口，这个接口只提供了两个方法`readLock()`和`writeLock（）`；

（2）同步器，包含一个继承了AQS的Sync内部类，以及其两个子类FairSync和NonfairSync；

（3）ReadLock和WriteLock两个内部类实现了Lock接口，它们具有锁的一些特性。

## 源码分析 ##

### 主要属性 ###

// 读锁
    private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;
    // 写锁
    private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;
    // 同步器
    final Sync sync;

维护了读锁、写锁和同步器。

### 主要构造方法 ###

// 默认构造方法
    public ReentrantReadWriteLock() { 
        this(false);
    }
    // 是否使用公平锁的构造方法
    public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) { 
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
    }

它提供了两个构造方法，默认构造方法使用的是非公平锁模式，在构造方法中初始化了读锁和写锁。

### 获取读锁和写锁的方法 ###

public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() {  return writerLock; }
    public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  {  return readerLock; }

属性中的读锁和写锁是私有属性，通过这两个方法暴露出去。

下面我们主要分析读锁和写锁的加锁、解锁方法，且都是基于非公平模式的。

### ReadLock.lock() ###

// ReentrantReadWriteLock.ReadLock.lock()
    public void lock() { 
        sync.acquireShared(1);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.acquireShared()
    public final void acquireShared(int arg) { 
        // 尝试获取共享锁（返回1表示成功，返回-1表示失败）
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            // 失败了就可能要排队
            doAcquireShared(arg);
    }
    // ReentrantReadWriteLock.Sync.tryAcquireShared()
    protected final int tryAcquireShared(int unused) { 
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 状态变量的值
        // 在读写锁模式下，高16位存储的是共享锁（读锁）被获取的次数，低16位存储的是互斥锁（写锁）被获取的次数
        int c = getState();
        // 互斥锁的次数
        // 如果其它线程获得了写锁，直接返回-1
        if (exclusiveCount(c) != 0 &&
            getExclusiveOwnerThread() != current)
            return -1;
        // 读锁被获取的次数
        int r = sharedCount(c);
        
        // 下面说明此时还没有写锁，尝试去更新state的值获取读锁
        // 读者是否需要排队（是否是公平模式）
        if (!readerShouldBlock() &&
            r < MAX_COUNT &&
            compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { 
            // 获取读锁成功
            if (r == 0) { 
                // 如果之前还没有线程获取读锁
                // 记录第一个读者为当前线程
                firstReader = current;
                // 第一个读者重入的次数为1
                firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (firstReader == current) { 
                // 如果有线程获取了读锁且是当前线程是第一个读者
                // 则把其重入次数加1
                firstReaderHoldCount++;
            } else { 
                // 如果有线程获取了读锁且当前线程不是第一个读者
                // 则从缓存中获取重入次数保存器
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                // 如果缓存不属性当前线程
                // 再从ThreadLocal中获取
                // readHolds本身是一个ThreadLocal，里面存储的是HoldCounter
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    // get()的时候会初始化rh
                    cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
                else if (rh.count == 0)
                    // 如果rh的次数为0，把它放到ThreadLocal中去
                    readHolds.set(rh);
                // 重入的次数加1（初始次数为0）
                rh.count++;
            }
            // 获取读锁成功，返回1
            return 1;
        }
        // 通过这个方法再去尝试获取读锁（如果之前其它线程获取了写锁，一样返回-1表示失败）
        return fullTryAcquireShared(current);
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireShared()
    private void doAcquireShared(int arg) { 
        // 进入AQS的队列中
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try { 
            boolean interrupted = false;
            for (;;) { 
                // 当前节点的前一个节点
                final Node p = node.predecessor();
                // 如果前一个节点是头节点（说明是第一个排队的节点）
                if (p == head) { 
                    // 再次尝试获取读锁
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    // 如果成功了
                    if (r >= 0) { 
                        // 头节点后移并传播
                        // 传播即唤醒后面连续的读节点
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                // 没获取到读锁，阻塞并等待被唤醒
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally { 
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.setHeadAndPropagate()
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { 
        // h为旧的头节点
        Node h = head;
        // 设置当前节点为新头节点
        setHead(node);
        
        // 如果旧的头节点或新的头节点为空或者其等待状态小于0（表示状态为SIGNAL/PROPAGATE）
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { 
            // 需要传播
            // 取下一个节点
            Node s = node.next;
            // 如果下一个节点为空，或者是需要获取读锁的节点
            if (s == null || s.isShared())
                // 唤醒下一个节点
                doReleaseShared();
        }
    }
    // AbstractQueuedSynchronizer.doReleaseShared()
    // 这个方法只会唤醒一个节点
    private void doReleaseShared() { 
        for (;;) { 
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) { 
                int ws = h.waitStatus;
                // 如果头节点状态为SIGNAL，说明要唤醒下一个节点
                if (ws == Node.SIGNAL) { 
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    // 唤醒下一个节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         // 把头节点的状态改为PROPAGATE成功才会跳到下面的if
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            // 如果唤醒后head没变，则跳出循环
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

看完【[死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析（一）——公平锁、非公平锁][java_ReentrantLock]】的分析再看这章的内容应该会比较简单，中间一样的方法我们这里直接跳过了。

我们来看看大致的逻辑：

（1）先尝试获取读锁；

（2）如果成功了直接结束；

（3）如果失败了，进入doAcquireShared()方法；

（4）doAcquireShared()方法中首先会生成一个新节点并进入AQS队列中；

（5）如果头节点正好是当前节点的上一个节点，再次尝试获取锁；

（6）如果成功了，则设置头节点为新节点，并传播；

（7）传播即唤醒下一个读节点（如果下一个节点是读节点的话）；

（8）如果头节点不是当前节点的上一个节点或者（5）失败，则阻塞当前线程等待被唤醒；

（9）唤醒之后继续走（5）的逻辑；

在整个逻辑中是在哪里连续唤醒读节点的呢？

答案是在doAcquireShared()方法中，在这里一个节点A获取了读锁后，会唤醒下一个读节点B，这时候B也会获取读锁，然后B继续唤醒C，依次往复，也就是说这里的节点是一个唤醒一个这样的形式，而不是一个节点获取了读锁后一次性唤醒后面所有的读节点。

![ReentrantReadWriteLock1][]

### ReadLock.unlock() ###

// java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.ReadLock.unlock
    public void unlock() { 
        sync.releaseShared(1);
    }
    // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.releaseShared
    public final boolean releaseShared(int arg) { 
        // 如果尝试释放成功了，就唤醒下一个节点
        if (tryReleaseShared(arg)) { 
            // 这个方法实际是唤醒下一个节点
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }
    // java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.Sync.tryReleaseShared
    protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { 
        Thread current = Thread.currentThread();
        if (firstReader == current) { 
            // 如果第一个读者（读线程）是当前线程
            // 就把它重入的次数减1
            // 如果减到0了就把第一个读者置为空
            if (firstReaderHoldCount == 1)
                firstReader = null;
            else
                firstReaderHoldCount--;
        } else { 
            // 如果第一个读者不是当前线程
            // 一样地，把它重入的次数减1
            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;
        }
        for (;;) { 
            // 共享锁获取的次数减1
            // 如果减为0了说明完全释放了，才返回true
            int c = getState();
            int nextc = c - SHARED_UNIT;
            if (compareAndSetState(c, nextc))
                return nextc == 0;
        }
    }
    // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doReleaseShared
    // 行为跟方法名有点不符，实际是唤醒下一个节点
    private void doReleaseShared() { 
        for (;;) { 
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) { 
                int ws = h.waitStatus;
                // 如果头节点状态为SIGNAL，说明要唤醒下一个节点
                if (ws == Node.SIGNAL) { 
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    // 唤醒下一个节点
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         // 把头节点的状态改为PROPAGATE成功才会跳到下面的if
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            // 如果唤醒后head没变，则跳出循环
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

解锁的大致流程如下：

（1）将当前线程重入的次数减1；

（2）将共享锁总共被获取的次数减1；

（3）如果共享锁获取的次数减为0了，说明共享锁完全释放了，那就唤醒下一个节点；

如下图，ABC三个节点各获取了一次共享锁，三者释放的顺序分别为ACB，那么最后B释放共享锁的时候tryReleaseShared()才会返回true，进而才会唤醒下一个节点D。

![ReentrantReadWriteLock2][]

### WriteLock.lock() ###

// java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.WriteLock.lock()
    public void lock() { 
        sync.acquire(1);
    }
    // java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquire()
    public final void acquire(int arg) { 
        // 先尝试获取锁
        // 如果失败，则会进入队列中排队，后面的逻辑跟ReentrantLock一模一样了
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }
    // java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.Sync.tryAcquire()
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) { 
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 状态变量state的值
        int c = getState();
        // 互斥锁被获取的次数
        int w = exclusiveCount(c);
        if (c != 0) { 
            // 如果c!=0且w==0，说明共享锁被获取的次数不为0
            // 这句话整个的意思就是
            // 如果共享锁被获取的次数不为0，或者被其它线程获取了互斥锁（写锁）
            // 那么就返回false，获取写锁失败
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                return false;
            // 溢出检测
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 到这里说明当前线程已经获取过写锁，这里是重入了，直接把state加1即可
            setState(c + acquires);
            // 获取写锁成功
            return true;
        }
        // 如果c等于0，就尝试更新state的值（非公平模式writerShouldBlock()返回false）
        // 如果失败了，说明获取写锁失败，返回false
        // 如果成功了，说明获取写锁成功，把自己设置为占有者，并返回true
        if (writerShouldBlock() ||
            !compareAndSetState(c, c + acquires))
            return false;
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }
    // 获取写锁失败了后面的逻辑跟ReentrantLock是一致的，进入队列排队，这里就不列源码了

写锁获取的过程大致如下：

（1）尝试获取锁；

（2）如果有读者占有着读锁，尝试获取写锁失败；

（3）如果有其它线程占有着写锁，尝试获取写锁失败；

（4）如果是当前线程占有着写锁，尝试获取写锁成功，state值加1；

（5）如果没有线程占有着锁（state==0），当前线程尝试更新state的值，成功了表示尝试获取锁成功，否则失败；

（6）尝试获取锁失败以后，进入队列排队，等待被唤醒；

（7）后续逻辑跟ReentrantLock是一致；

### WriteLock.unlock() ###

// java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.WriteLock.unlock()
    public void unlock() { 
        sync.release(1);
    }
    //java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release()
    public final boolean release(int arg) { 
        // 如果尝试释放锁成功（完全释放锁）
        // 就尝试唤醒下一个节点
        if (tryRelease(arg)) { 
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
    // java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.Sync.tryRelease()
    protected final boolean tryRelease(int releases) { 
        // 如果写锁不是当前线程占有着，抛出异常
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        // 状态变量的值减1
        int nextc = getState() - releases;
        // 是否完全释放锁
        boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
        if (free)
            setExclusiveOwnerThread(null);
        // 设置状态变量的值
        setState(nextc);
        // 如果完全释放了写锁，返回true
        return free;
    }

写锁释放的过程大致为：

（1）先尝试释放锁，即状态变量state的值减1；

（2）如果减为0了，说明完全释放了锁；

（3）完全释放了锁才唤醒下一个等待的节点；

## 总结 ##

（1）ReentrantReadWriteLock采用读写锁的思想，能提高并发的吞吐量；

（2）读锁使用的是共享锁，多个读锁可以一起获取锁，互相不会影响，即读读不互斥；

（3）读写、写读和写写是会互斥的，前者占有着锁，后者需要进入AQS队列中排队；

（4）多个连续的读线程是一个接着一个被唤醒的，而不是一次性唤醒所有读线程；

（5）只有多个读锁都完全释放了才会唤醒下一个写线程；

（6）只有写锁完全释放了才会唤醒下一个等待者，这个等待者有可能是读线程，也可能是写线程；

## 彩蛋 ##

（1）如果同一个线程先获取读锁，再获取写锁会怎样？

![ReentrantReadWriteLock3][]

分析上图中的代码，在tryAcquire()方法中，如果读锁被获取的次数不为0（c != 0 && w == 0），返回false，返回之后外层方法会让当前线程阻塞。

可以通过下面的方法验证：

readLock.lock();
    writeLock.lock();
    writeLock.unlock();
    readLock.unlock();

运行程序后会发现代码停止在`writeLock.lock();`，当然，你也可以打个断点跟踪进去看看。

（2）如果同一个线程先获取写锁，再获取读锁会怎样？

![ReentrantReadWriteLock4][]

分析上面的代码，在tryAcquireShared()方法中，第一个红框处并不会返回，因为不满足`getExclusiveOwnerThread() != current`；第二个红框处如果原子更新成功就说明获取了读锁，然后就会执行第三个红框处的代码把其重入次数更改为1。

可以通过下面的方法验证：

writeLock.lock();
    readLock.lock();
    readLock.unlock();
    writeLock.unlock();

你可以打个断点跟踪一下看看。

（3）死锁了么？

通过上面的两个例子，我们可以感受到同一个线程先读后写和先写后读是完全不一样的，为什么不一样呢？

先读后写，一个线程占有读锁后，其它线程还是可以占有读锁的，这时候如果在其它线程占有读锁之前让自己占有了写锁，其它线程又不能占有读锁了，这段程序会非常难实现，逻辑也很奇怪，所以，设计成只要一个线程占有了读锁，其它线程包括它自己都不能再获取写锁。

先写后读，一个线程占有写锁后，其它线程是不能占有任何锁的，这时候，即使自己占有一个读锁，对程序的逻辑也不会有任何影响，所以，一个线程占有写锁后是可以再占有读锁的，只是这个时候其它线程依然无法获取读锁。

如果你仔细思考上面的逻辑，你会发现一个线程先占有读锁后占有写锁，会有一个很大的问题——锁无法被释放也无法被获取了。这个线程先占有了读锁，然后自己再占有写锁的时候会阻塞，然后它就自己把自己搞死了，进而把其它线程也搞死了，它无法释放锁，其它线程也无法获得锁了。

这是死锁吗？似乎不是，死锁的定义是线程A占有着线程B需要的资源，线程B占有着线程A需要的资源，两个线程相互等待对方释放资源，经典的死锁例子如下：

Object a = new Object();
    Object b = new Object();
    
    new Thread(()->{ 
        synchronized (a) { 
            LockSupport.parkNanos(1000000);
            synchronized (b) { 
    
            }
        }
    }).start();
    
    new Thread(()->{ 
        synchronized (b) { 
            synchronized (a) { 
    
            }
        }
    }).start();

简单的死锁用jstack是可以看到的：

"Thread-1":
            at com.coolcoding.code.synchronize.ReentrantReadWriteLockTest.lambda$main$1(ReentrantReadWriteLockTest.java:40)
            - waiting to lock <0x000000076baa9068> (a java.lang.Object)
            - locked <0x000000076baa9078> (a java.lang.Object)
            at com.coolcoding.code.synchronize.ReentrantReadWriteLockTest$$Lambda$2/1831932724.run(Unknown Source)
            at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
    "Thread-0":
            at com.coolcoding.code.synchronize.ReentrantReadWriteLockTest.lambda$main$0(ReentrantReadWriteLockTest.java:32)
            - waiting to lock <0x000000076baa9078> (a java.lang.Object)
            - locked <0x000000076baa9068> (a java.lang.Object)
            at com.coolcoding.code.synchronize.ReentrantReadWriteLockTest$$Lambda$1/1096979270.run(Unknown Source)
            at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
    
    Found 1 deadlock.

（4）如何使用ReentrantReadWriteLock实现一个高效安全的TreeMap？

class SafeTreeMap { 
        private final Map<String, Object> m = new TreeMap<String, Object>();
        private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        private final Lock readLock = lock.readLock();
        private final Lock writeLock = lock.writeLock();
    
        public Object get(String key) { 
            readLock.lock();
            try { 
                return m.get(key);
            } finally { 
                readLock.unlock();
            }
        }
    
        public Object put(String key, Object value) { 
            writeLock.lock();
            try { 
                return m.put(key, value);
            } finally { 
                writeLock.unlock();
            }
        }
    }

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[ReentrantReadWriteLock]: /images/20220114/14919d188cbf4b4eae82e04dfb299bc5.png
[java_ReentrantLock]: https://mp.weixin.qq.com/s/52Ib23kbmqqkWAZtlZF-zA
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[java_ReentrantLock VS synchronized]: https://mp.weixin.qq.com/s/o8ZFXDoKhj237SsrqGeJPQ
[java_ReentrantLock 1]: https://mp.weixin.qq.com/s/iipAVWynBUZazhSvBwMB5g
[java_AQS]: https://mp.weixin.qq.com/s/nAqgec8GscULz6DkkYFINg
[java_Lock]: https://mp.weixin.qq.com/s/1RU5jh7UcXGtKlae8tusVA
[java_Unsafe]: https://mp.weixin.qq.com/s/0s-u-MysppIaIHVrshp9fA
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[java_volatile]: https://mp.weixin.qq.com/s/TROZ4BhcDImwHvhAl_I_6w
[java_synchronized]: https://mp.weixin.qq.com/s/RT7VreIh9PU03HhE3WSLjg
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