Java多线程系列--“JUC锁”08之 共享锁和ReentrantReadWriteLock

概要

Java的JUC(java.util.concurrent)包中的锁包括"独占锁"和"共享锁"。在“Java多线程系列--“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock ” 中，对Java的独占锁进行了说明。本章对Java的“共享锁”进行介绍，JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等；本章会以ReentrantReadWriteLock为蓝本对共享锁进行说明。内容包括：
ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍
ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表
ReentrantReadWriteLock数据结构
参考代码(基于JDK1.7.0_40)
  获取共享锁
  释放共享锁
  公平共享锁和非公平共享锁
ReentrantReadWriteLock示例

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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。