并发编程——ReentrantReadWriteLock 我会带着你远行 2023-10-16 11:56 2阅读 0赞 #### 文章目录 #### * 为什么要出现读写锁 * 读写锁的核心思想 * 写锁的操作 * * 写锁加锁-acquire * 写锁-释放锁操作 * 读锁的操作 * * 读锁的加锁操作 * 总结 ## 为什么要出现读写锁 ## 因为ReentrantLock是互斥锁，如果有一个操作是读多写少，同时还需要保证线程安全，那么使用ReentrantLock会导致效率比较低。因为多个线程在对同一个数据进行读操作时，也不会造成线程安全问题。所以出现了ReentrantReadWriteLock锁： * 读读操作是共享的。 * 写写操作是互斥的。 * 读写操作是互斥的。 * 写读操作是互斥的。 单个线程获取写锁后，再次获取读锁，可以拿到。（写读可重入） 单个线程获取读锁后，再次获取写锁，拿不到。（读写不可重入） 使用方式： public class XxxTest { // 读写锁 static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); // 写锁 static ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock(); // 读锁 static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { readLock.lock(); try { System.out.println("拿到读锁！"); } finally { readLock.unlock(); } writeLock.lock(); try { System.out.println("拿到写锁！"); } finally { writeLock.unlock(); } } } ## 读写锁的核心思想 ## ReentrantReadWriteLock基于AQS实现的，很多功能的实现和ReentrantLock类似。还是基于AQS的state来确定当前线程是否拿到锁资源。将state的高16位作为读锁的标识，将state的低16位作为写锁的标识 锁重入问题： * 写锁重入：因为写操作和其他操作是互斥的，代表同一时间，只有一个线程持有着写锁，只要锁重入，就对低位+1即可。 * 读锁重入：读锁的重入不能仿照写锁的方式，因为写锁属于互斥锁，同一时间只会有一个线程持有写锁，但是读锁是共享锁，同一时间会有多个线程持有读锁。所以每个获取到读锁的线程，记录锁重入的方式都是基于自己的ThreadLocal存储锁重入次数。 读锁重入修改state，只是记录当前线程锁重入的次数，需要基于ThreadLocal记录。 state二进制表示：00000000 00000000 00000000 00000000 将state的高16位作为读锁的标识，将state的低16位作为写锁的标识。 写锁：00000000 00000000 00000000 00000001 写锁重入，低16位+1：00000000 00000000 00000000 00000010 读锁： 00000000 00000001 00000000 00000000 读锁重入，高16位+1： 00000000 00000010 00000000 00000000 每个读操作的线程，在获取读锁时，都需要开辟一个ThreadLocal。读写锁为了优化这个事情，做了两手操作： * 第一个拿到读锁的线程，不用ThreadLocal记录重入次数，在读写锁内有有一个firstRead记录重入次数 * 记录了最后一个拿到读锁的线程的重入次数，交给cachedHoldCounter属性标识，可以避免频繁的在锁重入时，从TL中获取。 ## 写锁的操作 ## ### 写锁加锁-acquire ### public final void acquire(int arg) { if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); } tryAcquire：尝试获取锁资源，能否以CAS的方式将state 从0 改为 1，改成功，拿锁成功。 addWaiter：将当前没按到锁资源的，封装成Node，排到AQS里。 acquireQueued：当前排队的能否竞争锁资源，不能挂起线程阻塞。 因为都是AQS的实现，主要看tryAcquire // state，高16：读，低16：写 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 00000000 00000000 - SHARED_UNIT 00000000 00000000 11111111 11111111 - MAX_COUNT 00000000 00000000 11111111 11111111 - EXCLUSIVE_MASK & 00000000 00000000 00000000 00000001 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; // 只拿到表示读锁的高16位。 static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; } // 只拿到表示写锁的低16位。 static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; } // 读写锁的写锁，获取流程 protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 拿到当前线程 Thread current = Thread.currentThread(); // 拿到state int c = getState(); // 拿到了写锁的低16位标识w int w = exclusiveCount(c); // c != 0：要么有读操作拿着锁，要么有写操作拿着锁 if (c != 0) { // 如果w == 0，代表没有写锁，拿不到 // 如果w != 0，代表有写锁，看一下拿占用写锁是不是当前线程，如果不是，拿不到 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; // 到这，说明肯定是写锁，并且是当前线程持有 // 判断对低位 + 1，是否会超过MAX_COUNT，超过抛Error if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 如果没超过锁重入次数， + 1，返回true，拿到锁资源。 setState(c + acquires); return true; } // 到这，说明c == 0 // 读写锁也分为公平锁和非公平锁 // 公平：看下排队不，排队就不抢了 // 走hasQueuedPredecessors方法，有排队的返回true，没排队的返回false // 非公平：直接抢！ // 方法实现直接返回false if (writerShouldBlock() || // 以CAS的方式，将state从0修改为 1 !compareAndSetState(c, c + acquires)) // 要么不让抢，要么CAS操作失败，返回false return false; // 将当前持有互斥锁的线程，设置为自己 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } addWaiter和acquireQueued和ReentrantLock看的一样，都是AQS自身提供的方法。 ### 写锁-释放锁操作 ### 读写锁的释放操作，跟ReentrantLock一致，只是需要单独获取低16位，判断是否为0，为0就释放成功 // 写锁的释放锁 public final boolean release(int arg) { // 只有tryRealse是读写锁重新实现的方法，其他的和ReentrantLock一致 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; } // 读写锁的真正释放 protected final boolean tryRelease(int releases) { // 判断释放锁的线程是不是持有锁的线程 if (!isHeldExclusively()) // 不是抛异常 throw new IllegalMonitorStateException(); // 对state - 1 int nextc = getState() - releases; // 拿着next从获取低16位的值，判断是否为0 boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; // 返回true if (free) // 将持有互斥锁的线程信息置位null setExclusiveOwnerThread(null); // 将-1之后的nextc复制给state setState(nextc); return free; } ## 读锁的操作 ## ### 读锁的加锁操作 ### // 读锁加锁操作 public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); } tryAcquireShared，尝试获取锁资源，获取到返回1，没获取到返回-1 doAcquireShared，前面没拿到锁，这边需要排队 // tryAcquireShared方法 protected final int tryAcquireShared(int unused) { // 获取当前线程 Thread current = Thread.currentThread(); // 拿到state int c = getState(); // 那写锁标识，如果 !=0，代表有写锁 if (exclusiveCount(c) != 0 && // 如果持有写锁的不是当前线程，排队去！ getExclusiveOwnerThread() != current) // 排队！ return -1; // 没有写锁！ // 获取读锁信息 int r = sharedCount(c); // 公平锁： 有人排队，返回true，直接拜拜，没人排队，返回false // 非公平锁：正常的逻辑是非公平直接抢，因为是读锁，每次抢占只要CAS成功，必然成功 // 这就会出现问题，写操作无法在读锁的情况抢占资源，导致写线程饥饿，一直阻塞 // 非公平锁会查看next是否是写锁的，如果是，返回true，如果不是返回false if (!readerShouldBlock() && // 查看读锁是否已经达到了最大限制 r < MAX_COUNT && // 以CAS的方式，对state的高16位+1 compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 拿到锁资源成功！！！ if (r == 0) { // 第一个拿到锁资源的线程，用first存储 firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { // 锁重入，第一个拿到读锁的线程，直接对firstReaderHoldCount++记录重入的次数 firstReaderHoldCount++; } else { // 不是第一个拿到锁资源的 // 先拿到cachedHoldCounter，最后一个线程的重入次数 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; // rh == null： 第二个拿到读锁的！ // 或者发现之前有最后一个来的，但是不我，将我设置为最后一个。 if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 获取自己的重入次数，并赋值给cachedHoldCounter cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); // 之前拿过，现在如果为0，赋值给TL else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 重入次数+1， // 第一个：可能是第一次拿 // 第二个：可能是重入操作 rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current); } // 通过tryAcquireShared没拿到锁资源，也没返回-1，就走这 final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; for (;;) { // 拿state int c = getState(); // 现在有互斥锁，不是自己，拜拜！ if (exclusiveCount(c) != 0) { if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 公平：有排队的，进入逻辑。 没排队的，过！ // 非公平：head的next是写不，是，进入逻辑。 如果不是，过！ } else if (readerShouldBlock()) { // 这里代码特别乱，因为这里的代码为了处理JDK1.5的内存泄漏问题，修改过~ // 这个逻辑里不会让你拿到锁，做被阻塞前的准备 if (firstReader == current) { // 什么都不做 } else { if (rh == null) { // 获取最后一个拿到读锁资源的 rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { // 拿到我自己的记录重入次数的。 rh = readHolds.get(); // 如果我的次数是0，绝对不是重入操作！ if (rh.count == 0) // 将我的TL中的值移除掉，不移除会造成内存泄漏 readHolds.remove(); } } // 如果我的次数是0，绝对不是重入操作！ if (rh.count == 0) // 返回-1，等待阻塞吧！ return -1; } } // 超过读锁的最大值了没？ if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 到这，就CAS竞争锁资源 if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 跟tryAcquireShared一模一样 if (sharedCount(c) == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; cachedHoldCounter = rh; } return 1; } } } 加锁-扔到队列准备阻塞操作 // 没拿到锁，准备挂起 private void doAcquireShared(int arg) { // 将当前线程封装为Node，当前Node为共享锁，并添加到队列的模式 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { // 获取上一个节点 final Node p = node.predecessor(); if (p == head) { // 如果我的上一个是head，尝试再次获取锁资源 int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { // 如果r大于等于0，代表获取锁资源成功 // 唤醒AQS中我后面的要获取读锁的线程（SHARED模式的Node） setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } // 能否挂起当前线程，需要保证我前面Node的状态为-1，才能执行后面操作 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && //LockSupport.park挂起~~ parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } } ## 总结 ## ReentrantReadWriteLock的使用可以提高并发性，特别适用于读操作远多于写操作的情况。它相对于排他锁，因为排他锁在同一时间只允许一个线程访问。ReentrantReadWriteLock允许多个读线程同时访问，但不允许写线程和读线程同时访问，也不允许写线程和写线程同时访问。
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