Java 并发包中的读写锁及其实现分析

 

 

1. 前言

在Java并发包中经常使用的锁（如：ReentrantLock），基本上都是排他锁，这些锁在同一时刻只容许一个线程进行访问，而读写锁在同一时 刻能够容许多个读线程访问，可是在写线程访问时，全部的读线程和其余写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，经过分离读锁和写锁，使得 并发性相比通常的排他锁有了很大提高。

除了保证写操做对读操做的可见性以及并发性的提高以外，读写锁可以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做缓存，它大部分时间提供读服务（例如：查询和搜索），而写操做占有的时间不多，可是写操做完成以后的更新须要对后续的读服务可见。

在没有读写锁支持的（Java 5 以前）时候，若是须要完成上述工做就要使用Java的等待通知机制，就是当写操做开始时，全部晚于写操做的读操做均会进入等待状态，只有写操做完成并进行 通知以后，全部等待的读操做才能继续执行（写操做之间依靠synchronized关键字进行同步），这样作的目的是使读操做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，只须要在读操做时获取读锁，而写操做时获取写锁便可，当写锁被获取到时，后续（非当前写操做线程）的读写操做都会被 阻塞，写锁释放以后，全部操做继续执行，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。

通常状况下，读写锁的性能都会比排它锁要好，由于大多数场景读是多于写的。在读多于写的状况下，读写锁可以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

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，吞吐量仍是非公平优于公平
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以后，可以再次获取读锁。而写线程在获取了写锁以后可以再次获取写锁，同时也能够获取读锁
锁降级	遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁可以降级成为读锁

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，除了接口方法以外，还提供了一些便于外界监控其内部工做状态的方法，这些方法以及描述如表2所示。

表2. ReentrantReadWriteLock展现内部工做状态的方法

方法名称	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，好比：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

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

上述示例中，Cache组合了一个非线程安全的HashMap做为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操做 get(String key)方法中，须要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操做put(String key, Object value)和clear()方法，在更新HashMap时必须提早获取写锁，当写锁被获取后，其余线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放 以后，其余读写操做才能继续。Cache使用读写锁提高读操做并发性，也保证每次写操做对全部的读写操做的可见性，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（如下没有特别说明读写锁都可认为是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 读写状态的设计

读写锁一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须要在同步状态（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。

若是在一个整型变量上维护多种状态，就必定须要“按位切割使用”这个变量，读写锁是将变量切分红了两个部分，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肯定读和写各自的状态呢？ 答案是经过位运算。假设当前同步状态值为S，写状态等于 S & 0x0000FFFF（将高16位所有抹去），读状态等于 S >>> 16（无符号补0右移16位）。当写状态增长1时，等于S + 1，当读状态增长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。若是当前线程已经获取了写锁，则增长写状态。若是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.   Thread current = Thread.currentThread(); 
3.   int c = getState(); 
4.   int w = exclusiveCount(c); 
5.   if (c != 0) { 
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.     if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) 
8.       return false; 
9.     if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) 
10.       throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
11.     setState(c + acquires); 
12.     return true; 
13.   } 
14.   if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) { 
15.     return false; 
16.   } 
17.   setExclusiveOwnerThread(current); 
18.   return true; 
19. } 

该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）以外，增长了一个读锁是否存在的判断。若是存在读锁，则写锁不能被获取，缘由在于：读写锁要确保 写锁的操做对读锁可见，若是容许读锁在已被获取的状况下对写锁的获取，那么正在运行的其余读线程就没法感知到当前写线程的操做。所以只有等待其余读线程都 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，则其余读写线程的后续访问均被阻塞。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本相似，每次释放均减小写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程可以继续访问读写锁，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，它可以被多个线程同时获取，在没有其余写线程访问（或者写状态为0）时，读锁总会成功的被获取，而所作的也只是 （线程安全的）增长读状态。若是当前线程已经获取了读锁，则增长读状态。若是当前线程在获取读锁时，写锁已被其余线程获取，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，主要缘由是新增了一些功能，好比：getReadHoldCount()方法，返回当前线程获取读锁的次数。读状态是全部线程获取读锁次 数的总和，而每一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。所以，这里将获取读锁的 代码作了删减，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.   for (;;) { 
3.     int c = getState(); 
4.     int nextc = c + (1 << 16); 
5.     if (nextc < c) 
6.       throw new Error("Maximum lock count exceeded"); 
7.     if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread()) 
8.       return -1; 
9.     if (compareAndSetState(c, nextc)) 
10.       return 1; 
11.   } 
12. } 

在tryAcquireShared(int unused)方法中，若是其余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。若是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)增长读状态，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）减小读状态，减小的值是(1 << 16)。

3.4 锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁。若是当前线程拥有写锁，而后将其释放，最后再获取读锁，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：由于数据不常变化，因此多个线程能够并发的进行数据处理，当数据变动后，当前线程若是感知到数据变化，则进行数据的准备工做，同时其余处理线程被阻塞，直到当前线程完成数据的准备工做，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.   readLock.lock(); 
3.   if (!update) { 
4.     // 必须先释放读锁 
5.     readLock.unlock(); 
6.     // 锁降级从写锁获取到开始 
7.     writeLock.lock(); 
8.     try { 
9.       if (!update) { 
10.         // 准备数据的流程（略） 
11.         update = true; 
12.       } 
13.       readLock.lock(); 
14.     } finally { 
15.       writeLock.unlock(); 
16.     } 
17.     // 锁降级完成，写锁降级为读锁 
18.   } 
19.   try { 
20.     // 使用数据的流程（略） 
21.   } finally { 
22.     readLock.unlock(); 
23.   } 
24. } 

上述示例中，当数据发生变动后，update变量（布尔类型且Volatile修饰）被设置为false，此时全部访问processData() 方法的线程都可以感知到变化，但只有一个线程可以获取到写锁，而其余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以后，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。主要缘由是保证数据的可见性，若是当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另外一个线程（记做 线程T）获取了写锁并修改了数据，则当前线程没法感知线程T的数据更新。若是当前线程获取读锁，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 用数据并释放读锁以后，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，最后释放读锁的过程）。缘由也是保证数据可见性，若是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，则其更新对其余获取到读锁的线程不可见。