java 并发(五)---AbstractQueuedSynchronizer（4）

问题 ：

• rwl 的底层实现是什么，应用场景是什么

读写锁 ReentrantReadWriteLock

          首先我们来了解一下 ReentrantReadWriteLock 的作用是什么？和 ReentranLock 有什么区别？Reentrancy 英文的意思是可重入性。ReentrantReadWriteLock下文简称（rrwl）

        下面总结来自   Java并发编程—ReentrantReadWriteLock ，你也可以从JDK 中阅读到这段。

        ReentrantReadWriteLock是Lock的另一种实现方式，我们已经知道了ReentrantLock是一个排他锁，同一时间只允许一个线程访问，而ReentrantReadWriteLock允许多个读线程同时访问，但不允许写线程和读线程、写线程和写线程同时访问。相对于排他锁，提高了并发性。在实际应用中，大部分情况下对共享数据（如缓存）的访问都是读操作远多于写操作，这时ReentrantReadWriteLock能够提供比排他锁更好的并发性和吞吐量。

        ReentrantReadWriteLock支持以下功能：

　　　　1）支持公平和非公平的获取锁的方式；

　　　　2）支持可重入。读线程在获取了读锁后还可以获取读锁；写线程在获取了写锁之后既可以再次获取写锁又可以获取读锁；

　　　　3）还允许从写入锁降级为读取锁，其实现方式是：先获取写入锁，然后获取读取锁，最后释放写入锁。但是，从读取锁升级到写入锁是不允许的；（这也说明了在rrwl中写锁的等级高于读锁）

　　　　4）读取锁和写入锁都支持锁获取期间的中断；

　　　　5）Condition支持。仅写入锁提供了一个 Conditon 实现；读取锁不支持 Conditon ，readLock().newCondition() 会抛出 UnsupportedOperationException。 

             

           下面是两个来自文档的Demo

class CachedData {
    Object data;
    volatile boolean cacheValid;
    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    void processCachedData() {
      rwl.readLock().lock();
      if (!cacheValid) {
        // Must release read lock before acquiring write lock
        rwl.readLock().unlock();
        rwl.writeLock().lock();
        try {
          // Recheck state because another thread might have
          // acquired write lock and changed state before we did.
          if (!cacheValid) {
            data = ...
            cacheValid = true;
          }
          // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
          rwl.readLock().lock();
        } finally {
          rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
        }
      }

      try {
        use(data);
      } finally {
        rwl.readLock().unlock();
      }
    }
  }

            在一些集合的使用上，rrwl 可以用来提升并发性。

class RWDictionary {
    private final Map<String, Data> m = new TreeMap<String, Data>();
    private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock r = rwl.readLock();
    private final Lock w = rwl.writeLock();

    public Data get(String key) {
      r.lock();
      try { return m.get(key); }
      finally { r.unlock(); }
    }
    public String[] allKeys() {
      r.lock();
      try { return m.keySet().toArray(); }
      finally { r.unlock(); }
    }
    public Data put(String key, Data value) {
      w.lock();
      try { return m.put(key, value); }
      finally { w.unlock(); }
    }
    public void clear() {
      w.lock();
      try { m.clear(); }
      finally { w.unlock(); }
    }
  }

ReentrantReadWriteLock 概述

       我们之前分析AQS 知道了，在AQS中使用的两种模式，一种是独占模式，一种是共享模式。

（图片来源见参考资料）

AQS 的精髓在于内部的属性 state：

1. 对于独占模式来说，通常就是 0 代表可获取锁，1 代表锁被别人获取了，重入例外
2. 而共享模式下，每个线程都可以对 state 进行加减操作

也就是说，独占模式和共享模式对于 state 的操作完全不一样，那读写锁 ReentrantReadWriteLock 中是怎么使用 state 的呢？答案是将 state 这个 32 位的 int 值分为高 16 位和低 16位，分别用于共享模式和独占模式。

ReentrantReadWriteLock 源码分析

     下文部分源码分析来自参考资料，摘抄过来只是为了纪录。

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 下面这块说的就是将 state 一分为二，高 16 位用于共享模式，低16位用于独占模式
    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;
    // 取 c 的高 16 位值，代表读锁的获取次数(包括重入)
    static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
    // 取 c 的低 16 位值，代表写锁的重入次数，因为写锁是独占模式
    static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

    // 这个嵌套类的实例用来记录每个线程持有的读锁数量(读锁重入)
    static final class HoldCounter {
        // 持有的读锁数
        int count = 0;
        // 线程 id
        final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
    }

    // ThreadLocal 的子类
    static final class ThreadLocalHoldCounter
        extends ThreadLocal<HoldCounter> {
        public HoldCounter initialValue() {
            return new HoldCounter();
        }
    }
    /**
      * 组合使用上面两个类，用一个 ThreadLocal 来记录当前线程持有的读锁数量
      */
    private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;

    // 用于缓存，记录"最后一个获取读锁的线程"的读锁重入次数，
    // 所以不管哪个线程获取到读锁后，就把这个值占为已用，这样就不用到 ThreadLocal 中查询 map 了
    // 算不上理论的依据：通常读锁的获取很快就会伴随着释放，
    //   显然，在 获取->释放 读锁这段时间，如果没有其他线程获取读锁的话，此缓存就能帮助提高性能
    private transient HoldCounter cachedHoldCounter;

    // 第一个获取读锁的线程(并且其未释放读锁)，以及它持有的读锁数量
    private transient Thread firstReader = null;
    private transient int firstReaderHoldCount;

    Sync() {
        // 初始化 readHolds 这个 ThreadLocal 属性
        readHolds = new ThreadLocalHoldCounter();
        // 为了保证 readHolds 的内存可见性
        setState(getState()); // ensures visibility of readHolds
    }
    ...
}

    

        注意一下，里面有个HoldCounter 是静态内部类，所以外部只要引用到它就会改变到 readHolds 的值。在读锁获取锁的时候会讲到。

• readHolds :  某个线程获取读锁的数量，用来记录某个线程的重入锁数量。他是数据结构是ThreadLocalHoldCounter ，而ThreadLocalHoldCounter 是继承 ThreadLocal 。
• cachedHoldCounter ： 可以从名字看出来是缓存的作用，它代表的是最后一个线程成功获取读锁的数量。它可以起到缓存的作用的依据是刚释放的锁又会很快地去获取锁。

读锁获取

// ReadLock
public void lock() {
    sync.acquireShared(1);
}
// AQS
public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

protected final int tryAcquireShared(int unused) {

    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();

    // exclusiveCount(c) 不等于 0，说明有线程持有写锁，
    //    而且不是当前线程持有写锁，那么当前线程获取读锁失败
    //         （另，如果持有写锁的是当前线程，是可以继续获取读锁的）
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;

    // 读锁的获取次数
    int r = sharedCount(c);

    // 读锁获取是否需要被阻塞，稍后细说。为了进去下面的分支，假设这里不阻塞就好了
    if (!readerShouldBlock() &&
        // 判断是否会溢出 (2^16-1，没那么容易溢出的)
        r < MAX_COUNT &&
        // 下面这行 CAS 是将 state 属性的高 16 位加 1，低 16 位不变，如果成功就代表获取到了读锁
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

        // =======================
        //   进到这里就是获取到了读锁
        // =======================

        if (r == 0) {
            // r == 0 说明此线程是第一个获取读锁的，或者说在它前面获取读锁的都走光光了，它也算是第一个吧
            //  记录 firstReader 为当前线程，及其持有的读锁数量：1
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {
            // 进来这里，说明是 firstReader 重入获取读锁（这非常简单，count 加 1 结束）
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            // 前面我们说了 cachedHoldCounter 用于缓存最后一个获取读锁的线程
            // 如果 cachedHoldCounter 缓存的不是当前线程，设置为缓存当前线程的 HoldCounter
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0)
                // 到这里，那么就是 cachedHoldCounter 缓存的是当前线程，但是 count 为 0，
                // 大家可以思考一下：这里为什么要 set ThreadLocal 呢？(当然，答案肯定不在这块代码中)
                //   既然 cachedHoldCounter 缓存的是当前线程，
                //   当前线程肯定调用过 readHolds.get() 进行初始化 ThreadLocal
                readHolds.set(rh);

            // count 加 1
            rh.count++;
        }
        // return 大于 0 的数，代表获取到了共享锁
        return 1;
    }
    // 往下看
    return fullTryAcquireShared(current);
}

         上面的代码中，要进入 if 分支，需要满足：readerShouldBlock() 返回 false，并且 CAS 要成功（我们先不要纠结 MAX_COUNT 溢出。 那我们反向推，怎么样进入到最后的 fullTryAcquireShared ：

• readerShouldBlock() 返回 true，2 种情况：

  • 在 FairSync 中说的是 hasQueuedPredecessors()，即阻塞队列中有其他元素在等待锁。

    也就是说，公平模式下，有人在排队呢，你新来的不能直接获取锁

  • 在 NonFairSync 中说的是 apparentlyFirstQueuedIsExclusive()，即判断阻塞队列中 head 的第一个后继节点是否是来获取写锁的，如果是的话，让这个写锁先来，避免写锁饥饿。

    作者给写锁定义了更高的优先级，所以如果碰上获取写锁的线程马上就要获取到锁了，获取读锁的线程不应该和它抢。

    如果 head.next 不是来获取写锁的，那么可以随便抢，因为是非公平模式，大家比比 CAS 速度

• compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) 这里 CAS 失败，存在竞争。可能是和另一个读锁获取竞争，当然也可能是和另一个写锁获取操作竞争。

         然后就会来到 fullTryAcquireShared 中再次尝试：

/**
 * 1. 刚刚我们说了可能是因为 CAS 失败，如果就此返回，那么就要进入到阻塞队列了，
 *    想想有点不甘心，因为都已经满足了 !readerShouldBlock()，也就是说本来可以不用到阻塞队列的，
 *    所以进到这个方法其实是增加 CAS 成功的机会
 * 2. 在 NonFairSync 情况下，虽然 head.next 是获取写锁的，我知道它等待很久了，我没想和它抢，
 *    可是如果我是来重入读锁的，那么只能表示对不起了
 */
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
    HoldCounter rh = null;
    // 别忘了这外层有个 for 循环
    for (;;) {
        int c = getState();
        // 如果其他线程持有了写锁，自然这次是获取不到读锁了，乖乖到阻塞队列排队吧
        if (exclusiveCount(c) != 0) {
            if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                return -1;
            // else we hold the exclusive lock; blocking here
            // would cause deadlock.
        } else if (readerShouldBlock()) {
            /**
              * 进来这里，说明：
              *  1. exclusiveCount(c) == 0：写锁没有被占用
              *  2. readerShouldBlock() 为 true，说明阻塞队列中有其他线程在等待
              *
              * 既然 should block，那进来这里是干什么的呢？
              * 答案：是进来处理读锁重入的！
              *
              */

            // firstReader 线程重入读锁，直接到下面的 CAS
            if (firstReader == current) {
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
            } else {
                if (rh == null) {
                    rh = cachedHoldCounter;
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
                        // cachedHoldCounter 缓存的不是当前线程
                        // 那么到 ThreadLocal 中获取当前线程的 HoldCounter
                        // 如果当前线程从来没有初始化过 ThreadLocal 中的值，get() 会执行初始化
                        rh = readHolds.get();
                        // 如果发现 count == 0，也就是说，纯属上一行代码初始化的，那么执行 remove
                        // 然后往下两三行，乖乖排队去
                        if (rh.count == 0)
                            readHolds.remove();
                    }
                }
                if (rh.count == 0)
                    // 排队去。
                    return -1;
            }
            /**
              * 这块代码我看了蛮久才把握好它是干嘛的，原来只需要知道，它是处理重入的就可以了。
              * 就是为了确保读锁重入操作能成功，而不是被塞到阻塞队列中等待
              *
              * 另一个信息就是，这里对于 ThreadLocal 变量 readHolds 的处理：
              *    如果 get() 后发现 count == 0，居然会做 remove() 操作，
              *    这行代码对于理解其他代码是有帮助的
              */
        }

        if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");

        if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
            // 这里 CAS 成功，那么就意味着成功获取读锁了
            // 下面需要做的是设置 firstReader 或 cachedHoldCounter

            if (sharedCount(c) == 0) {
                // 如果发现 sharedCount(c) 等于 0，就将当前线程设置为 firstReader
                firstReader = current;
                firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (firstReader == current) {
                firstReaderHoldCount++;
            } else {
                // 下面这几行，就是将 cachedHoldCounter 设置为当前线程
                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;
            }
            // 返回大于 0 的数，代表获取到了读锁
            return 1;
        }
    }
}

        读完这一段，我觉得有两个问题值得我们思考 ：

问题一 ：

       上面的代码还有一句让我们值的思考的是

rh.count++

       这是在多线程环境下,那这里会不会引起线程安全问题呢?不会,原因rh 来到这里会去ThreadLocal 拿一个值，所以不存在线程问题。

问题二 ：

HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
      cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
       readHolds.set(rh);
rh.count++;

       else-if 里的条件什么时候满足呢？可以理解为一个线程先lock 再unlock 又再次lock 的场景。把第一次unlock执行的local执行的remove对象再补充回去的情况。 

      

读锁释放

下面我们看看读锁释放的流程：

// ReadLock
public void unlock() {
    sync.releaseShared(1);
}
// Sync
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared(); // 这句代码其实唤醒 获取写锁的线程，往下看就知道了
        return true;
    }
    return false;
}

// Sync
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (firstReader == current) {
        if (firstReaderHoldCount == 1)
            // 如果等于 1，那么这次解锁后就不再持有锁了，把 firstReader 置为 null，给后来的线程用
            // 为什么不顺便设置 firstReaderHoldCount = 0？因为没必要，其他线程使用的时候自己会设值
            firstReader = null;
        else
            firstReaderHoldCount--;
    } else {
        // 判断 cachedHoldCounter 是否缓存的是当前线程，不是的话要到 ThreadLocal 中取
        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
            rh = readHolds.get();

        int count = rh.count;
        if (count <= 1) {

            // 这一步将 ThreadLocal remove 掉，防止内存泄漏。因为已经不再持有读锁了
            readHolds.remove();

            if (count <= 0)
                // 就是那种，lock() 一次，unlock() 好几次的逗比
                throw unmatchedUnlockException();
        }
        // count 减 1
        --rh.count;
    }

    for (;;) {
        int c = getState();
        // nextc 是 state 高 16 位减 1 后的值
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            // 如果 nextc == 0，那就是 state 全部 32 位都为 0，也就是读锁和写锁都空了
            // 此时这里返回 true 的话，其实是帮助唤醒后继节点中的获取写锁的线程
            return nextc == 0;
    }
}

        读锁释放的过程还是比较简单的，主要就是将 hold count 减 1，如果减到 0 的话，还要将 ThreadLocal 中的 remove 掉。然后是在 for 循环中将 state 的高 16 位减 1，如果发现读锁和写锁都释放光了，那么唤醒后继的获取写锁的线程。

 

写锁获取

1. 写锁是独占锁。
2. 如果有读锁被占用，写锁获取是要进入到阻塞队列中等待的。

// ReadLock
public void unlock() {
    sync.releaseShared(1);
}
// Sync
public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared(); // 这句代码其实唤醒 获取写锁的线程，往下看就知道了
        return true;
    }
    return false;
}

// Sync
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (firstReader == current) {
        if (firstReaderHoldCount == 1)
            // 如果等于 1，那么这次解锁后就不再持有锁了，把 firstReader 置为 null，给后来的线程用
            // 为什么不顺便设置 firstReaderHoldCount = 0？因为没必要，其他线程使用的时候自己会设值
            firstReader = null;
        else
            firstReaderHoldCount--;
    } else {
        // 判断 cachedHoldCounter 是否缓存的是当前线程，不是的话要到 ThreadLocal 中取
        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
            rh = readHolds.get();

        int count = rh.count;
        if (count <= 1) {

            // 这一步将 ThreadLocal remove 掉，防止内存泄漏。因为已经不再持有读锁了
            readHolds.remove();

            if (count <= 0)
                // 就是那种，lock() 一次，unlock() 好几次的逗比
                throw unmatchedUnlockException();
        }
        // count 减 1
        --rh.count;
    }

    for (;;) {
        int c = getState();
        // nextc 是 state 高 16 位减 1 后的值
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            // 如果 nextc == 0，那就是 state 全部 32 位都为 0，也就是读锁和写锁都空了
            // 此时这里返回 true 的话，其实是帮助唤醒后继节点中的获取写锁的线程
            return nextc == 0;
    }
}

下面看一眼 writerShouldBlock() 的判定，然后你再回去看一篇写锁获取过程。

static final class NonfairSync extends Sync {
    // 如果是非公平模式，那么 lock 的时候就可以直接用 CAS 去抢锁，抢不到再排队
    final boolean writerShouldBlock() {
        return false; // writers can always barge
    }
    ...
}
static final class FairSync extends Sync {
    final boolean writerShouldBlock() {
        // 如果是公平模式，那么如果阻塞队列有线程等待的话，就乖乖去排队
        return hasQueuedPredecessors();
    }
    ...
}

写锁释放

// WriteLock
public void unlock() {
    sync.release(1);
}

// AQS
public final boolean release(int arg) {
    // 1. 释放锁
    if (tryRelease(arg)) {
        // 2. 如果独占锁释放"完全"，唤醒后继节点
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

// Sync 
// 释放锁，是线程安全的，因为写锁是独占锁，具有排他性
// 实现很简单，state 减 1 就是了
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    int nextc = getState() - releases;
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(nextc);
    // 如果 exclusiveCount(nextc) == 0，也就是说包括重入的，所有的写锁都释放了，
    // 那么返回 true，这样会进行唤醒后继节点的操作。
    return free;
}

锁降级

         将持有写锁的线程，去获取读锁的过程称为锁降级（Lock downgrading）。这样，此线程就既持有写锁又持有读锁。但是，锁升级是不可以的。线程持有读锁的话，在没释放的情况下不能去获取写锁，因为会发生死锁。回去看下写锁获取的源码：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
        // 看下这里返回 false 的情况：
        //   c != 0 && w == 0: 写锁可用，但是有线程持有读锁(也可能是自己持有)
        //   c != 0 && w !=0 && current != getExclusiveOwnerThread(): 其他线程持有写锁
        //   也就是说，只要有读锁或写锁被占用，这次就不能获取到写锁
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        ...
    }
    ...
}

      仔细想想，如果线程 a 先获取了读锁，然后获取写锁，（tryAcquire方法返回false）那么线程 a 就到阻塞队列休眠了，自己把自己弄休眠了，而且可能之后就没人去唤醒它了。

总结

• rwl 适合读多写少的情景，读-写，写-写，互-斥，而写-读（写读是同一线程）这是被允许的，同时这也被成为锁降级。
• ReetrantReadWriteLock读写锁的效率明显高于synchronized关键字
• ReetrantReadWriteLock读写锁的实现中，读锁使用共享模式；写锁使用独占模式，换句话说，读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的
• ReetrantReadWriteLock读写锁的实现中，需要注意的，当有读锁时，写锁就不能获得；而当有写锁时，除了获得写锁的这个线程可以获得读锁外，其他线程不能获得读锁

参考资料 ：

• Java 读写锁 ReentrantReadWriteLock 源码分析
• Java并发编程—ReentrantReadWriteLock
• 简书_写得不错_推荐一读