java线程安全锁ReentrantReadWriteLock原理分析readLock-Java开发

这篇文章主要为大家介绍了java线程安全锁ReentrantReadWriteLock原理分析readLock，有需要的朋友可以借鉴参考下，希望能够有所帮助，祝大家多多进步，早日升职加薪

前言

很多时候，我们为了保证线程安全，会对一段代码加锁，但是加锁就意味着程序效率的下降，所以，我们经常会对锁进行一些优化，例如严格控制加锁的粒度，利用cas来代替加锁等。而今天我们介绍的读写锁，也是对锁的一种优化方案的实现。试想一下，如果我们的线程大部分时候都是读操作，那么读操作与读操作直接有必要互斥吗？答案是没有必要的，只有读写操作，写写操作才需要通过互斥来保证线程安全。今天我们通过ReentrantReadWriteLock来看看读写锁是如何实现的。

ReentrantReadWriteLock的简单使用

public void test1(){
        ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
        new Thread(()->{
            Lock readLock = readWriteLock.readLock();
            readLock.lock();
            try{
                //读操作
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                readLock.unlock();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
            writeLock.lock();
            try{
                //写操作
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                writeLock.unlock();
            }
        }).start();
    }

readLock源码分析

首先是lock()方法。

lock()

readLock是通过共享锁来实现的。lock()方法会调用acquireShared()方法。所以我们直接分析acquireShared()方法。

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

acquireShared()

acquireShared()主要的逻辑就在tryAcquireShared()方法和doAcquireShared()方法，首先调用tryAcquireShared()方法，如果返回的值小于0，那么就需要调用doAcquireShared()方法进行阻塞，否则就会直接去执行业务代码。接下来我们重点分析tryAcquireShared()方法和doAcquireShared()方法。

if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireShared(arg);

tryAcquireShared()

这个方法的逻辑其实比较简单。可以分为三个部分来看

1.首先通过state（state的高16位表示读锁的获取次数，低16位表示写锁的次数）获取到写锁的count，会判断写锁的count是否大于0（大于0意味着有线程获取了写锁）并且获取写锁的线程不是当前线程，那么返回-1，需要执行doAcquireShared()方法去阻塞当前线程。

2.通过cas修改读锁的count（保证线程安全）。如果当前线程是第一个获取读锁的线程，那么修改firstReader（第一个获取读锁的线程），firstReaderHoldCount（第一个获取读锁的线程的重入次数），否则通过当前线程获取读锁的次数构建成一个HoldCounter对象，并且放入到readHolds中(readHolds是一个ThreadLocal)，同时维护一个cachedHoldCounter的缓存（当前线程获取读锁的重入次数的缓存）。

3.cas失败,读锁的数量达到最大值或者readerShouldBlock()方法判断需要等待的话，就调用fullTryAcquireShared()方法。

        protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            //获取写锁的数量，如果有线程获取了写锁，
            //并且获取写锁的线程不是当前线程 直接返回-1
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&
                getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            //获取读锁的数量    
            int r = sharedCount(c);
            //readerShouldBlock()判断是否需要等待，如果不需要等待并且当前获取读锁的数量小于最大值的限制，cas也成功替换了读锁数量
            if (!readerShouldBlock() &&
                r < MAX_COUNT &&
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                //如果当前读锁数量为0 那么当前线程就是第一个获取读锁的线程
                if (r == 0) {
                    //将当前线程赋值给firstReader 
                    firstReader = current;
                    firstReaderHoldCount = 1;
                } else if (firstReader == current) {
                    //如果当前线程是第一个获取读锁的线程，那么只需要将firstReaderHoldCount +1 
                    //从这里我们就可以知道读锁是支持重入的
                    firstReaderHoldCount++;
                } else {
                    //HoldCounter用来保存当前线程获取读锁的次数，因为读锁是支持重入的，
                    //readHolds是一个ThreadLocal，用来保存当前线程的HoldCounter
                    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;
            }
            //readerShouldBlock()返回true cas失败 或者已经达到最大数量
            return fullTryAcquireShared(current);
        }

fullTryAcquireShared()

tryAcquireShared()在cas失败的话，读锁数量达到最大值或者readerShouldBlock()方法判断需要等待的话就会进入fullTryAcquireShared()方法，而fullTryAcquireShared()方法方法就会分别针对这三种情况进行处理。

1.首先依旧会先判断是否有线程获取写锁，如果有，直接返回-1.

2.如果readerShouldBlock()方法返回true，如果返回true，表示应该阻塞等待，就将当前线程获取读锁的数量置为0，并且返回-1（返回-1就会调用doAcquireShared()方法去阻塞线程）。

3.如果读锁的数量已经达到最大值，那么就直接抛出异常

4.如果是因为cas失败，那么再进行cas一次，并且修改firstReader（第一个获取读锁的线程），firstReaderHoldCount（第一个获取读锁的线程的重入次数），cachedHoldCounter（当前线程获取读锁的重入次数的缓存）等变量的值。注意cas失败不会跳出for循环，所以这里是会自旋重试的。

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
            HoldCounter rh = null;
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (exclusiveCount(c) != 0) {
                    if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                        return -1;
                    // else we hold the exclusive lock; blocking here
                    // would cause deadlock.
                } else if (readerShouldBlock()) {
                    // Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
                    if (firstReader == current) {
                        // assert firstReaderHoldCount > 0;
                    } else {
                        if (rh == null) {
                            rh = cachedHoldCounter;
                            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
                                rh = readHolds.get();
                                if (rh.count == 0)
                                    readHolds.remove();
                            }
                        }
                        if (rh.count == 0)
                            return -1;
                    }
                }
                if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                    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; // cache for release
                    }
                    return 1;
                }
            }
        }

接下来我们需要看一下readerShouldBlock()方法，readerShouldBlock()方法如果返回true那么代表线程获取读锁的时候需要阻塞，那我们就分析一下readerShouldBlock()方法，看什么时候获取读锁需要阻塞线程。

readerShouldBlock()

readerShouldBlock()方法有两个实现，一个是公平锁的实现，一个是非公平锁的实现。

公平锁实现：

判断阻塞队列中是否有节点，并且第一个节点不是当前线程。那么作为公平锁，这就代表需要等待。

final boolean readerShouldBlock() {
     return hasQueuedPredecessors();
}
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        // The correctness of this depends on head being initialized
        // before tail and on head.next being accurate if the current
        // thread is first in queue.
        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

非公平锁实现：

判断阻塞队列中的第一个节点是否不是共享节点，如果不是，那么就需要等待，否则就代表可以插队，也就不需要阻塞。

final boolean readerShouldBlock() {
     return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {
        Node h, s;
        return (h = head) != null &&
            (s = h.next)  != null &&
            !s.isShared()         &&
            s.thread != null;
}

那么接下来我们分析doAcquireShared()方法，看doAcquireShared()方法是如何阻塞线程的。

doAcquireShared()

1.调用addWaiter()方法将当前线程封装成Node并且加入到阻塞队列中。

2.如果发现当前节点的前节点是head节点（代表当前节点是队列中第一个节点，因为head节点始终是空的，所以head的next就是实际上的第一个节点），那么就再次调用tryAcquireShared()方法尝试获取锁。如果调用tryAcquireShared()方法获取锁成功，那么就唤醒阻塞队列中所有的共享节点。

3.将阻塞队列中前一个节点的状态修改为SIGNAL，并且调用LockSupport.park()方法阻塞当前线程。

private void doAcquireShared(int arg) {
        //将线程封装成状态为SHARED的Node节点，并且加入到阻塞队列中
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                //获取当前节点的前一个节点
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    //再次调用tryAcquireShared()方法尝试获取锁
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        //获取锁成功 因为是共享锁，那么需要唤醒所有的共享节点
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //将前节点设置为SIGNAL状态 并且调用LockSupport.park()阻塞当前线程
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                //如果失败 那么就将节点状态修改为
                cancelAcquire(node);
        }
    }

接下来我们重点分析setHeadAndPropagate()，shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt()三个方法。

注：如果你看过我的另一篇文章# CountDownLatch源码分析，那么相信你对这三个方法已经很熟悉了，因为CountDownLatch也是通过AQS共享锁来实现的。

setHeadAndPropagate()

1.重新设置头节点，并且如果阻塞队列中的下一个节点是共享节点，那么就需要调用doReleaseShared()方法尝试去唤醒阻塞队列中其他的共享节点。doReleaseShared()方法我们在分析unlock()的时候再详细分析。

private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        setHead(node);
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            if (s == null || s.isShared())
                doReleaseShared();
        }
}

shouldParkAfterFailedAcquire()

shouldParkAfterFailedAcquire()方法的作用就是将前面一个节点的状态修改为SIGNAL状态，并且将CANCELLED状态的节点去除（waitStatus大于0，只能是CANCELLED状态）。

private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL)
            return true;
        //如果前节点的状态是CANCELLED状态，那么尝试去除阻塞队列中的其他的CANCELLED状态的节点（注意这里只会从后往前遍历吗，去除连续的CANCELLED状态的节点）
        if (ws > 0) {
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            //cas修改前一个节点的状态为SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

parkAndCheckInterrupt()

parkAndCheckInterrupt()方法会调用LockSupport.park()方法，是真正阻塞线程的地方。线程被唤醒后，会从这个地方继续执行代码。

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

至此readLock的lock()方法，我们就分析完了。接下来我们继续分析readLock的unlock()方法。

unlock()

unlock()方法的逻辑都是在releaseShared()方法中完成的，所以我们具体看releaseShared()方法。

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

releaseShared()

releaseShared()方法先调用tryReleaseShared()方法尝试是否锁，如果返回true，那么调用doReleaseShared()方法释放锁。

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

tryReleaseShared()

tryReleaseShared()方法的逻辑主要分为以下几步。

1.首先判断当前线程是否是第一个获取读锁的线程，如果是，那么就维护firstReader和firstReaderHoldCount变量，否则读取缓存cachedHoldCounter中的值，如果缓存的不是当前线程的值，那么就需要从readHolds中获取到当前线程的HoldCounter对象（保存了当前线程的重入次数），将当前线程的重入次数-1。

2.通过cas和自旋将获取总的读锁的数量-1，减完之后当前占有读锁的数量为0，那么就返回true。

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            if (firstReader == current) {
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
                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;
            }
            for (;;) {
                int c = getState();
                int nextc = c - SHARED_UNIT;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

tryReleaseShared()方法返回true之后，需要调用doReleaseShared()方法唤醒被阻塞的线程。

doReleaseShared()

doReleaseShared()方法需要唤醒阻塞队列中所有的共享节点，通过自旋和unparkSuccessor()方法不断尝试唤醒阻塞队列中的节点。

    private void doReleaseShared() {
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                //如果头结点的状态是SIGNAL
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    //cas修改节点的状态为0 失败的话继续自旋
                    // 成功的话调用unparkSuccessor唤醒头结点的下一个正常节点
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                //如果节点状态为0 那么cas替换为PROPAGATE 失败进入下一次自旋
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue;                // loop on failed CAS
            }
            if (h == head)                   // loop if head changed
                break;
        }
    }

unparkSuccessor()

unparkSuccessor()方法的作用是唤醒头节点后第一个不为null且状态不为cancelled的节点。通过LockSupport.unpark()方法唤醒阻塞的线程。

private void unparkSuccessor(Node node) {
        //获取头结点的状态 将头结点状态设置为0 代表现在正在有线程被唤醒 如果head状态为0 就不会进入这个方法了
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
            //将头结点状态设置为0
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
	//唤醒头结点的下一个状态不是cancelled的节点 （因为头结点是不存储阻塞线程的）
        Node s = node.next;
	//当前节点是null 或者是cancelled状态
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
	 //从aqs链表的尾部开始遍历 找到离头结点最近的 不为空的 状态不是cancelled的节点 赋值给s 
         //这里为什么从尾结点开始遍历而不是头结点 是因为添加结点的时候是先初始化结点的prev的， 从尾结点开始遍历 不会出现prve没有赋值的情况 
         //如果从头结点进行遍历 next为null 并不能保证链表遍历完了
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
	    //调用LockSupport.unpark()唤醒指定的线程
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

至此readLock的unlock()方法也就分析完了。

小结

1.ReentrantReadWriteLock的readLock是支持重入的。

2.ReentrantReadWriteLock的readLock是通过AQS的共享锁来实现的。

3.readLock中提供了firstReader，firstReaderHoldCount，cachedHoldCounter等变量来提供效率，当前线程的读锁重入次数一般都是存放在readHolds中（readHolds是一个TheadLocal），只有一个获取读锁的线程是通过firstReader，firstReaderHoldCount两个变量来维护的，而cachedHoldCounter则是一个缓存，这样通过这三个变量就可以减少从readHolds获取值的次数。（因为大部分情况下并发不高或许只有一个线程获取读锁）。

4.读锁与读锁之间不是互斥的，读锁和写锁是互斥的，但是如果获取写锁的线程是当前线程，那么当前线程是可以获取读锁的。

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