读写锁

Mutex和ReentrantLock基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写现场均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。

一般情况下，读写锁的性能都会比排他锁好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排他锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现时ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如表所示：

特性	说明
公平性选择	支持非公平（默认）和公平的所获取方式，吞吐量还是非公平优于公平
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之后，能够再次获取读锁。而写线程在获取了写锁之后能够再次获取写锁，同时也可以获取读锁
锁降级	遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁

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()方法和writerLock()方法，而其实现——ReentrantReadWriteLock，除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法，这些方法以及描述如表：

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，例如，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。该方法再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()	返回当前写锁获取的次数

读写锁的实现分析

1.读写状态的设计

读写锁同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。

如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位切割使用”这个变量，读写锁将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写，划分方式如图：

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。读写锁是如何快速确定读和写各自的状态呢？答案是通过位运算。假设当前同步状态值位S，写状态等于S&0x0000FFFF(j将高16位全部抹去)，读状态等于S>>>16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于S+1，当读状态增加1时，等于S+(1<<16)，也就是S+0x00010000。

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。

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2.写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排他锁。如果当前线程已经获取了写锁，则增加写状态。如果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，获取写锁的代码如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires){
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    int w = exclusiveCount(c);
    if(c != 0){
        //存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
        if(w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()){
            return false;
        }
        if(w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT){
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    if(writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c,c + acquires)){
        return false;
    }
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取，原因在于：读写锁要确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此，只有等待其他线程都是放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。

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3.读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取，在没有其他写现场访问（或者写状态为0）时，读锁总会被成功地获取，而所做的也只是（线程安全的）增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁，则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时，写锁已被其他线程获取，则进入等待状态。读状态是所有线程获取读锁次数的总和，而每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。因此，这里将获取读锁的代码做了删减，保留了必要的部分，如代码：

protected final itn tryAcquireShared(int unused){
    for(;;){
        int c = getState();
        int nextc = c + (1 << 16);
        if(nextc < c){
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        }
        if(exclusiveCount(c) != 0&& owner != Thread.currentThread()){
            return -1;
        }
        if(compareAndSetState(c, nextc)){
            return 1;
        }
    }
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他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。如果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）增加读状态，成功获取读锁。

读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放锁）均减少读状态，减少的治时（1<<16）。

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4.锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁。

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。

public void processDate(){
    readLock.lock();
    if(!update){
        //必须先释放读锁
        readLock.unlock();
        //锁降级从写锁获取到开始
        writeLock.lock();
        try{
            if(!update){
                //准备数据的流程（略）
                update = true;
            }
            readLock.lock();
        }finally{
            writeLock.unlock();
        }
        //锁降级完成，写锁降级为读锁
    }
    try{
        //使用数据的流程（略）
    }finally{
        readLock.unlock();
    }
}

上面示例中，当数据发生变更后，update变量（布尔类型且volatile修饰）被设置为false，此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化，但只有一个线程能够获取到写锁，其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后，再获取读锁，随后释放写锁，完成锁降级。

锁降级中读诵的获取是否必要呢？答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性，如果当前先不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（基座现场T）获取了写锁并修改了数据，那么当前线程无法感知线程T的数据更新。