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1.讀寫鎖的介紹
在并發(fā)場(chǎng)景中用于解決線程安全的問題厢拭，我們幾乎會(huì)高頻率的使用到獨(dú)占式鎖熏迹，通常使用java提供的關(guān)鍵字synchronized（關(guān)于synchronized可以看這篇文章）或者concurrents包中實(shí)現(xiàn)了Lock接口的ReentrantLock们衙。它們都是獨(dú)占式獲取鎖澎迎，也就是在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠獲取鎖。而在一些業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，大部分只是讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)很少虐沥，如果僅僅是讀數(shù)據(jù)的話并不會(huì)影響數(shù)據(jù)正確性（出現(xiàn)臟讀），而如果在這種業(yè)務(wù)場(chǎng)景下泽艘，依然使用獨(dú)占鎖的話欲险，很顯然這將是出現(xiàn)性能瓶頸的地方。針對(duì)這種讀多寫少的情況匹涮，java還提供了另外一個(gè)實(shí)現(xiàn)Lock接口的ReentrantReadWriteLock(讀寫鎖)天试。讀寫所允許同一時(shí)刻被多個(gè)讀線程訪問，但是在寫線程訪問時(shí)然低，所有的讀線程和其他的寫線程都會(huì)被阻塞喜每。在分析WirteLock和ReadLock的互斥性時(shí)可以按照WriteLock與WriteLock之間，WriteLock與ReadLock之間以及ReadLock與ReadLock之間進(jìn)行分析脚翘。更多關(guān)于讀寫鎖特性介紹大家可以看源碼上的介紹（閱讀源碼時(shí)最好的一種學(xué)習(xí)方式灼卢，我也正在學(xué)習(xí)中绍哎，與大家共勉）来农，這里做一個(gè)歸納總結(jié)：
- 公平性選擇：支持非公平性（默認(rèn)）和公平的鎖獲取方式，吞吐量還是非公平優(yōu)于公平崇堰；
- 重入性：支持重入沃于，讀鎖獲取后能再次獲取涩咖，寫鎖獲取之后能夠再次獲取寫鎖，同時(shí)也能夠獲取讀鎖繁莹；
- 鎖降級(jí)：遵循獲取寫鎖檩互，獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序，寫鎖能夠降級(jí)成為讀鎖
要想能夠徹底的理解讀寫鎖必須能夠理解這樣幾個(gè)問題：1. 讀寫鎖是怎樣實(shí)現(xiàn)分別記錄讀寫狀態(tài)的咨演？2. 寫鎖是怎樣獲取和釋放的闸昨？3.讀鎖是怎樣獲取和釋放的？我們帶著這樣的三個(gè)問題薄风，再去了解下讀寫鎖饵较。
2.寫鎖詳解
2.1.寫鎖的獲取
同步組件的實(shí)現(xiàn)聚合了同步器（AQS），并通過重寫重寫同步器（AQS）中的方法實(shí)現(xiàn)同步組件的同步語(yǔ)義（關(guān)于同步組件的實(shí)現(xiàn)層級(jí)結(jié)構(gòu)可以看這篇文章遭赂，AQS的底層實(shí)現(xiàn)分析可以看這篇文章）循诉。因此，寫鎖的實(shí)現(xiàn)依然也是采用這種方式撇他。在同一時(shí)刻寫鎖是不能被多個(gè)線程所獲取茄猫，很顯然寫鎖是獨(dú)占式鎖，而實(shí)現(xiàn)寫鎖的同步語(yǔ)義是通過重寫AQS中的tryAcquire方法實(shí)現(xiàn)的困肩。源碼為:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If read count nonzero or write count nonzero
* and owner is a different thread, fail.
* 2. If count would saturate, fail. (This can only
* happen if count is already nonzero.)
* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
* it is either a reentrant acquire or
* queue policy allows it. If so, update state
* and set owner.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
// 1. 獲取寫鎖當(dāng)前的同步狀態(tài)
int c = getState();
// 2. 獲取寫鎖獲取的次數(shù)
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
// 3.1 當(dāng)讀鎖已被讀線程獲取或者當(dāng)前線程不是已經(jīng)獲取寫鎖的線程的話
// 當(dāng)前線程獲取寫鎖失敗
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// Reentrant acquire
// 3.2 當(dāng)前線程獲取寫鎖划纽，支持可重復(fù)加鎖
setState(c + acquires);
return true;
}
// 3.3 寫鎖未被任何線程獲取，當(dāng)前線程可獲取寫鎖
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
這段代碼的邏輯請(qǐng)看注釋僻弹，這里有一個(gè)地方需要重點(diǎn)關(guān)注阿浓，exclusiveCount(c)方法，該方法源碼為：
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
其中EXCLUSIVE_MASK為: static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; EXCLUSIVE _MASK為1左移16位然后減1蹋绽，即為0x0000FFFF芭毙。而exclusiveCount方法是將同步狀態(tài)（state為int類型）與0x0000FFFF相與，即取同步狀態(tài)的低16位卸耘。那么低16位代表什么呢退敦？根據(jù)exclusiveCount方法的注釋為獨(dú)占式獲取的次數(shù)即寫鎖被獲取的次數(shù)，現(xiàn)在就可以得出來一個(gè)結(jié)論同步狀態(tài)的低16位用來表示寫鎖的獲取次數(shù)蚣抗。同時(shí)還有一個(gè)方法值得我們注意：
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
該方法是獲取讀鎖被獲取的次數(shù)侈百，是將同步狀態(tài)（int c）右移16次，即取同步狀態(tài)的高16位翰铡，現(xiàn)在我們可以得出另外一個(gè)結(jié)論同步狀態(tài)的高16位用來表示讀鎖被獲取的次數(shù)《塾颍現(xiàn)在還記得我們開篇說的需要弄懂的第一個(gè)問題嗎？讀寫鎖是怎樣實(shí)現(xiàn)分別記錄讀鎖和寫鎖的狀態(tài)的锭魔，現(xiàn)在這個(gè)問題的答案就已經(jīng)被我們弄清楚了例证，其示意圖如下圖所示：
現(xiàn)在我們回過頭來看寫鎖獲取方法tryAcquire，其主要邏輯為：當(dāng)讀鎖已經(jīng)被讀線程獲取或者寫鎖已經(jīng)被其他寫線程獲取迷捧，則寫鎖獲取失斨帧胀葱；否則，獲取成功并支持重入笙蒙，增加寫狀態(tài)抵屿。
2.2.寫鎖的釋放
寫鎖釋放通過重寫AQS的tryRelease方法，源碼為：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//1. 同步狀態(tài)減去寫狀態(tài)
int nextc = getState() - releases;
//2. 當(dāng)前寫狀態(tài)是否為0捅位，為0則釋放寫鎖
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
//3. 不為0則更新同步狀態(tài)
setState(nextc);
return free;
}
源碼的實(shí)現(xiàn)邏輯請(qǐng)看注釋轧葛，不難理解與ReentrantLock基本一致，這里需要注意的是艇搀，減少寫狀態(tài)int nextc = getState() - releases;只需要用當(dāng)前同步狀態(tài)直接減去寫狀態(tài)的原因正是我們剛才所說的寫狀態(tài)是由同步狀態(tài)的低16位表示的朝群。
3.讀鎖詳解
3.1.讀鎖的獲取
看完了寫鎖，現(xiàn)在來看看讀鎖中符，讀鎖不是獨(dú)占式鎖姜胖，即同一時(shí)刻該鎖可以被多個(gè)讀線程獲取也就是一種共享式鎖。按照之前對(duì)AQS介紹淀散，實(shí)現(xiàn)共享式同步組件的同步語(yǔ)義需要通過重寫AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法右莱。讀鎖的獲取實(shí)現(xiàn)方法為：
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
/*
* Walkthrough:
* 1. If write lock held by another thread, fail.
* 2. Otherwise, this thread is eligible for
* lock wrt state, so ask if it should block
* because of queue policy. If not, try
* to grant by CASing state and updating count.
* Note that step does not check for reentrant
* acquires, which is postponed to full version
* to avoid having to check hold count in
* the more typical non-reentrant case.
* 3. If step 2 fails either because thread
* apparently not eligible or CAS fails or count
* saturated, chain to version with full retry loop.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//1. 如果寫鎖已經(jīng)被獲取并且獲取寫鎖的線程不是當(dāng)前線程的話，當(dāng)前
// 線程獲取讀鎖失敗返回-1
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount(c);
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
//2. 當(dāng)前線程獲取讀鎖
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//3. 下面的代碼主要是新增的一些功能档插，比如getReadHoldCount()方法
//返回當(dāng)前獲取讀鎖的次數(shù)
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
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;
}
//4. 處理在第二步中CAS操作失敗的自旋已經(jīng)實(shí)現(xiàn)重入性
return fullTryAcquireShared(current);
}
代碼的邏輯請(qǐng)看注釋慢蜓，需要注意的是 當(dāng)寫鎖被其他線程獲取后，讀鎖獲取失敗郭膛，否則獲取成功利用CAS更新同步狀態(tài)晨抡。另外，當(dāng)前同步狀態(tài)需要加上SHARED_UNIT（(1 << SHARED_SHIFT)即0x00010000）的原因這是我們?cè)谏厦嫠f的同步狀態(tài)的高16位用來表示讀鎖被獲取的次數(shù)则剃。如果CAS失敗或者已經(jīng)獲取讀鎖的線程再次獲取讀鎖時(shí)耘柱，是靠fullTryAcquireShared方法實(shí)現(xiàn)的，這段代碼就不展開說了棍现，有興趣可以看看调煎。
3.2.讀鎖的釋放
讀鎖釋放的實(shí)現(xiàn)主要通過方法tryReleaseShared，源碼如下己肮，主要邏輯請(qǐng)看注釋：
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 前面還是為了實(shí)現(xiàn)getReadHoldCount等新功能
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();
// 讀鎖釋放 將同步狀態(tài)減去讀狀態(tài)即可
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// Releasing the read lock has no effect on readers,
// but it may allow waiting writers to proceed if
// both read and write locks are now free.
return nextc == 0;
}
}
4.鎖降級(jí)
讀寫鎖支持鎖降級(jí)士袄，遵循按照獲取寫鎖，獲取讀鎖再釋放寫鎖的次序谎僻，寫鎖能夠降級(jí)成為讀鎖娄柳，不支持鎖升級(jí)，關(guān)于鎖降級(jí)下面的示例代碼摘自ReentrantWriteReadLock源碼中：
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();
}
}
}