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ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍

ReadWriteLock,顾名思义,是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”,一个用于读取操作,另一个用于写入操作。
“读取锁”用于只读操作,它是“共享锁”,能同时被多个线程获取。
“写入锁”用于写入操作,它是“独占锁”,写入锁只能被一个线程锁获取。
注意:不能同时存在读取锁和写入锁!
ReadWriteLock是一个接口。ReentrantReadWriteLock是它的实现类,ReentrantReadWriteLock包括子类ReadLock和WriteLock。

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表

ReadWriteLock函数列表

// 返回用于读取操作的锁。
Lock readLock()
// 返回用于写入操作的锁。
Lock writeLock()

ReentrantReadWriteLock函数列表

// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,默认是采用“非公平策略”。
ReentrantReadWriteLock()
// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock,fair是“公平策略”。fair为true,意味着公平策略;否则,意味着非公平策略。
ReentrantReadWriteLock(boolean fair) // 返回当前拥有写入锁的线程,如果没有这样的线程,则返回 null。
protected Thread getOwner()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取锁的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedReaderThreads()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedThreads()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待获取写入锁的线程。
protected Collection<Thread> getQueuedWriterThreads()
// 返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。
int getQueueLength()
// 查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。
int getReadHoldCount()
// 查询为此锁保持的读取锁数量。
int getReadLockCount()
// 返回一个 collection,它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。
protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)
// 返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。
int getWaitQueueLength(Condition condition)
// 查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。
int getWriteHoldCount()
// 查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。
boolean hasQueuedThread(Thread thread)
// 查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。
boolean hasQueuedThreads()
// 查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。
boolean hasWaiters(Condition condition)
// 如果此锁将公平性设置为 ture,则返回 true。
boolean isFair()
// 查询是否某个线程保持了写入锁。
boolean isWriteLocked()
// 查询当前线程是否保持了写入锁。
boolean isWriteLockedByCurrentThread()
// 返回用于读取操作的锁。
ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock()
// 返回用于写入操作的锁。
ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock()

ReentrantReadWriteLock数据结构

ReentrantReadWriteLock的UML类图如下:

从中可以看出:

(01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。ReadWriteLock是一个读写锁的接口,提供了"获取读锁的readLock()函数" 和 "获取写锁的writeLock()函数"。
(02) ReentrantReadWriteLock中包含:sync对象,读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。读锁ReadLock和写锁WriteLock中也都分别包含了"Sync对象",它们的Sync对象和ReentrantReadWriteLock的Sync对象 是一样的,就是通过sync,读锁和写锁实现了对同一个对象的访问。
(03) 和"ReentrantLock"一样,sync是Sync类型;而且,Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括"公平锁"FairSync和"非公平锁"NonfairSync。sync对象是"FairSync"和"NonfairSync"中的一个,默认是"NonfairSync"。

参考代码(基于JDK1.7.0_40)

ReentrantReadWriteLock的完整源码

 

AQS的完整源码

 

其中,共享锁源码相关的代码如下:

public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;
// ReentrantReadWriteLock的AQS对象
private final Sync sync; protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
} // 获取“共享锁”
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
} // 如果线程是中断状态,则抛出一场,否则尝试获取共享锁。
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
} // 尝试获取“共享锁”
public boolean tryLock() {
return sync.tryReadLock();
} // 在指定时间内,尝试获取“共享锁”
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
} // 释放“共享锁”
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
} // 新建条件
public Condition newCondition() {
throw new UnsupportedOperationException();
} public String toString() {
int r = sync.getReadLockCount();
return super.toString() +
"[Read locks = " + r + "]";
}
}

说明
ReadLock中的sync是一个Sync对象,Sync继承于AQS类,即Sync就是一个锁。ReentrantReadWriteLock中也有一个Sync对象,而且ReadLock中的sync和ReentrantReadWriteLock中的sync是对应关系。即ReentrantReadWriteLock和ReadLock共享同一个AQS对象,共享同一把锁。
ReentrantReadWriteLock中Sync的定义如下:

final Sync sync;

下面,分别从“获取共享锁”和“释放共享锁”两个方面对共享锁进行说明。

获取共享锁

获取共享锁的思想(即lock函数的步骤),是先通过tryAcquireShared()尝试获取共享锁。尝试成功的话,则直接返回;尝试失败的话,则通过doAcquireShared()不断的循环并尝试获取锁,若有需要,则阻塞等待。doAcquireShared()在循环中每次尝试获取锁时,都是通过tryAcquireShared()来进行尝试的。下面看看“获取共享锁”的详细流程。

1. lock()

lock()在ReadLock中,源码如下:

public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}

2. acquireShared()

Sync继承于AQS,acquireShared()定义在AQS中。源码如下:

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

说明:acquireShared()首先会通过tryAcquireShared()来尝试获取锁。
尝试成功的话,则不再做任何动作(因为已经成功获取到锁了)。
尝试失败的话,则通过doAcquireShared()来获取锁。doAcquireShared()会获取到锁了才返回。

3. tryAcquireShared()

tryAcquireShared()定义在ReentrantReadWriteLock.java的Sync中,源码如下:

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 获取“锁”的状态
int c = getState();
// 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 获取“读取锁”的共享计数
int r = sharedCount(c);
// 如果“不需要阻塞等待”,并且“读取锁”的共享计数小于MAX_COUNT;
// 则通过CAS函数更新“锁的状态”,将“读取锁”的共享计数+1。
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 第1次获取“读取锁”。
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
// HoldCounter是用来统计该线程获取“读取锁”的次数。
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 将该线程获取“读取锁”的次数+1。
rh.count++;
}
return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}

说明:tryAcquireShared()的作用是尝试获取“共享锁”。
如果在尝试获取锁时,“不需要阻塞等待”并且“读取锁的共享计数小于MAX_COUNT”,则直接通过CAS函数更新“读取锁的共享计数”,以及将“当前线程获取读取锁的次数+1”。
否则,通过fullTryAcquireShared()获取读取锁。

4. fullTryAcquireShared()

fullTryAcquireShared()在ReentrantReadWriteLock中定义,源码如下:

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
// 获取“锁”的状态
int c = getState();
// 如果“锁”是“互斥锁”,并且获取锁的线程不是current线程;则返回-1。
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 如果“需要阻塞等待”。
// (01) 当“需要阻塞等待”的线程是第1个获取锁的线程的话,则继续往下执行。
// (02) 当“需要阻塞等待”的线程获取锁的次数=0时,则返回-1。
} else if (readerShouldBlock()) {
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程
if (firstReader == current) {
} else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId()) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
// 如果当前线程获取锁的计数=0,则返回-1。
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
// 如果“不需要阻塞等待”,则获取“读取锁”的共享统计数;
// 如果共享统计数超过MAX_COUNT,则抛出异常。
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 将线程获取“读取锁”的次数+1。
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 如果是第1次获取“读取锁”,则更新firstReader和firstReaderHoldCount。
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程,
// 则将firstReaderHoldCount+1。
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
// 更新线程的获取“读取锁”的共享计数
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}

说明:fullTryAcquireShared()会根据“是否需要阻塞等待”,“读取锁的共享计数是否超过限制”等等进行处理。如果不需要阻塞等待,并且锁的共享计数没有超过限制,则通过CAS尝试获取锁,并返回1。

5. doAcquireShared()

doAcquireShared()定义在AQS函数中,源码如下:

private void doAcquireShared(int arg) {
// addWaiter(Node.SHARED)的作用是,创建“当前线程”对应的节点,并将该线程添加到CLH队列中。
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
// 获取“node”的前一节点
final Node p = node.predecessor();
// 如果“当前线程”是CLH队列的表头,则尝试获取共享锁。
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
// 如果“当前线程”不是CLH队列的表头,则通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否需要等待,
// 需要的话,则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。若阻塞等待过程中,线程被中断过,则设置interrupted为true。
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

说明:doAcquireShared()的作用是获取共享锁。
它会首先创建线程对应的CLH队列的节点,然后将该节点添加到CLH队列中。CLH队列是管理获取锁的等待线程的队列。
如果“当前线程”是CLH队列的表头,则尝试获取共享锁;否则,则需要通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否阻塞等待,需要的话,则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。
doAcquireShared()会通过for循环,不断的进行上面的操作;目的就是获取共享锁。需要注意的是:doAcquireShared()在每一次尝试获取锁时,是通过tryAcquireShared()来执行的!

shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt()等函数已经在“Java多线程系列--“JUC锁”03之 公平锁(一) ”中详细介绍过,这里就不再重复说明了。

释放共享锁

释放共享锁的思想,是先通过tryReleaseShared()尝试释放共享锁。尝试成功的话,则通过doReleaseShared()唤醒“其他等待获取共享锁的线程”,并返回true;否则的话,返回flase。

1. unlock()

public  void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}

说明:该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。

2. releaseShared()

releaseShared()在AQS中实现,源码如下:

public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}

说明:releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功,则直接返回;尝试失败,则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

3. tryReleaseShared()

tryReleaseShared()定义在ReentrantReadWriteLock中,源码如下:

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
// 获取当前线程,即释放共享锁的线程。
Thread current = Thread.currentThread();
// 如果想要释放锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程,
// 并且“第1个获取锁的线程获取锁的次数”=1,则设置firstReader为null;
// 否则,将“第1个获取锁的线程的获取次数”-1。
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
// 获取rh对象,并更新“当前线程获取锁的信息”。
} else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
for (;;) {
// 获取锁的状态
int c = getState();
// 将锁的获取次数-1。
int nextc = c - SHARED_UNIT;
// 通过CAS更新锁的状态。
if (compareAndSetState(c, nextc))
return nextc == 0;
}
}

说明:tryReleaseShared()的作用是尝试释放共享锁。

4. doReleaseShared()

doReleaseShared()定义在AQS中,源码如下:

private void doReleaseShared() {
for (;;) {
// 获取CLH队列的头节点
Node h = head;
// 如果头节点不为null,并且头节点不等于tail节点。
if (h != null && h != tail) {
// 获取头节点对应的线程的状态
int ws = h.waitStatus;
// 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态,则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。
if (ws == Node.SIGNAL) {
// 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话,则继续循环。
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue;
// 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。
unparkSuccessor(h);
}
// 如果头节点对应的线程是空状态,则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
// 如果头节点发生变化,则继续循环。否则,退出循环。
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}

说明:doReleaseShared()会释放“共享锁”。它会从前往后的遍历CLH队列,依次“唤醒”然后“执行”队列中每个节点对应的线程;最终的目的是让这些线程释放它们所持有的锁。

公平共享锁和非公平共享锁

和互斥锁ReentrantLock一样,ReadLock也分为公平锁和非公平锁。

公平锁和非公平锁的区别,体现在判断是否需要阻塞的函数readerShouldBlock()是不同的。
公平锁的readerShouldBlock()的源码如下:

final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}

在公平共享锁中,如果在当前线程的前面有其他线程在等待获取共享锁,则返回true;否则,返回false。
非公平锁的readerShouldBlock()的源码如下:

final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}

在非公平共享锁中,它会无视当前线程的前面是否有其他线程在等待获取共享锁。只要该非公平共享锁对应的线程不为null,则返回true。

ReentrantReadWriteLock示例

 1 import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
3
4 public class ReadWriteLockTest1 {
5
6 public static void main(String[] args) {
7 // 创建账户
8 MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000);
9 // 创建用户,并指定账户
10 User user = new User("Tommy", myCount);
11
12 // 分别启动3个“读取账户金钱”的线程 和 3个“设置账户金钱”的线程
13 for (int i=0; i<3; i++) {
14 user.getCash();
15 user.setCash((i+1)*1000);
16 }
17 }
18 }
19
20 class User {
21 private String name; //用户名
22 private MyCount myCount; //所要操作的账户
23 private ReadWriteLock myLock; //执行操作所需的锁对象
24
25 User(String name, MyCount myCount) {
26 this.name = name;
27 this.myCount = myCount;
28 this.myLock = new ReentrantReadWriteLock();
29 }
30
31 public void getCash() {
32 new Thread() {
33 public void run() {
34 myLock.readLock().lock();
35 try {
36 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start");
37 myCount.getCash();
38 Thread.sleep(1);
39 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end");
40 } catch (InterruptedException e) {
41 } finally {
42 myLock.readLock().unlock();
43 }
44 }
45 }.start();
46 }
47
48 public void setCash(final int cash) {
49 new Thread() {
50 public void run() {
51 myLock.writeLock().lock();
52 try {
53 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start");
54 myCount.setCash(cash);
55 Thread.sleep(1);
56 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end");
57 } catch (InterruptedException e) {
58 } finally {
59 myLock.writeLock().unlock();
60 }
61 }
62 }.start();
63 }
64 }
65
66 class MyCount {
67 private String id; //账号
68 private int cash; //账户余额
69
70 MyCount(String id, int cash) {
71 this.id = id;
72 this.cash = cash;
73 }
74
75 public String getId() {
76 return id;
77 }
78
79 public void setId(String id) {
80 this.id = id;
81 }
82
83 public int getCash() {
84 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash);
85 return cash;
86 }
87
88 public void setCash(int cash) {
89 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash);
90 this.cash = cash;
91 }
92 }

运行结果

Thread-0 getCash start
Thread-2 getCash start
Thread-0 getCash cash=10000
Thread-2 getCash cash=10000
Thread-0 getCash end
Thread-2 getCash end
Thread-1 setCash start
Thread-1 setCash cash=1000
Thread-1 setCash end
Thread-3 setCash start
Thread-3 setCash cash=2000
Thread-3 setCash end
Thread-4 getCash start
Thread-4 getCash cash=2000
Thread-4 getCash end
Thread-5 setCash start
Thread-5 setCash cash=3000
Thread-5 setCash end

结果说明
(01) 观察Thread0和Thread-2的运行结果,我们发现,Thread-0启动并获取到“读取锁”,在它还没运行完毕的时候,Thread-2也启动了并且也成功获取到“读取锁”。
因此,“读取锁”支持被多个线程同时获取。
(02) 观察Thread-1,Thread-3,Thread-5这三个“写入锁”的线程。只要“写入锁”被某线程获取,则该线程运行完毕了,才释放该锁。
因此,“写入锁”不支持被多个线程同时获取。

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