java中的读写锁

引言


锁(Lock)是java一个很重要的同步组件,Lock提供了跟synchronized关键字一样的功能,相比synchronized更加灵活,但是实现也更加复杂。

锁的分类:
锁主要分为排他锁和读写锁。

  • 排他锁:在同一时刻只允许一个线程进行访问,其他线程等待;
  • 读写锁:在同一时刻允许多个读线程访问,但是当写线程访问,所有的写线程和读线程均被阻塞。读写锁维护了一个读锁加一个写锁,通过读写锁分离的模式来保证线程安全,性能高于一般的排他锁。

java并发包提供了读写锁的具体实现ReentrantReadWriteLock,它主要提供了一下特性:

  1. 公平性选择:支持公平和非公平(默认)两种获取锁的方式,非公平锁的吞吐量优于公平锁;
  2. 可重入:支持可重入,读线程在获取读锁之后能够再次获取读锁,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;
  3. 锁降级:线程获取锁的顺序遵循获取写锁,获取读锁,释放写锁,写锁可以降级成为读锁。

读写锁实现分析


读写锁使用案例:缓存


读写锁示例

上述代码中,cache使用一个非线程安全的数据结构HashMap作为缓存的实现,并且使用读写锁来保证cache的线程安全。在执行get/set/clear操作都会先获取锁,执行完相应的逻辑后释放锁。

接下来具体分析ReentrantReadWriteLock的具体实现。

成员变量和构造方法

读写锁成员变量和构造方法
  • 读写锁有三个成员变量:读锁,写锁和自定义同步器sync(AQS具体实现);
  • 读写锁提供两个构造方法,默认创建非公平锁。

读写状态

读写锁状态

读写锁依赖自定义同步器实现同步功能,读写状态也就是同步器的同步状态。读写锁将整形变量切分成两部分,高16位表示读,低16位表示写:

读写锁状态划分

读写锁通过位运算计算各自的同步状态。假设当前同步状态的值为c,写状态 = c & 0x0000FFFF,读状态 = c >>> 16(无符号补0右移16位)。当写状态增加1,状态变成c+1,当读状态增加1时,状态编程c+(1 <<< 16),也就是c + 0
x00010000。

注:根据状态的划分可以得出一个推论:当同步状态c不等于0时,如果写状态(c & 0x0000FFFF)等于0,读状态(c >>> 16)大于0,此时,读锁被获取。

写锁的获取与释放

写锁是一个可重入的排他锁,了解AQS的都知道,排他锁的获取的核心实质是AQS tryAcquire的具体实现。

tryAcquire实现

写锁tryAcquire具体实现
  • 计算写状态,写状态 = 当前statue & 0x0000FFFF;
  • 同步状态不等于0,表示当前已有线程获取写锁:
    • 假如存在读锁(w = 0时表示存在读锁)或者当前线程不是已经获取写锁的线程,返回false,写锁获取失败;
    • 假如w + 当前获取写锁的个数大于写状态最大值(MAX_COUNT = 65531),抛出异常,写锁获取失败;
    • 否则,设置同步状态,设置锁拥有线程为当前线程,锁获取成功;
  • 同步状态等于0,表示当前写锁还未被获取,假如当前线程不需要block并且同步状态设置成功,那么,设置锁拥有线程为当前线程,锁获取成功,否则,锁获取失败。

注:为什么存在读锁的时候写锁不能获取?
读写锁要确保写锁的操作对读锁是可见的,假如允许读锁在已被获取的情况下还能获取写锁,那么正在运行的其他的读线程就无法感知到写线程的操作。所以,只有等待其他的读线程都释放了读锁,写锁才能被当前线程获取,当然,写锁一旦被获取,其他的读写线程的后续访问都会被阻塞。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本上是类似的,每次释放都会减少写锁的同步状态,当同步状态等于0的时候,表示该线程写锁已经被释放,其他的读写线程可以继续获取读写锁,并且当前写线程的修改对后续读写线程均可见。写锁的释放核心是自定义同步器的tryRelease实现:

tryRelease实现

写锁的tryRelease
  • 如果待释放写锁的线程不是写锁占有线程,抛出异常;
  • 写锁同步状态减少;
  • 计算写状态,如果写状态为0,锁释放,设置写锁持有线程为null,设置同步状态,返回;
  • 否则,设置同步状态,返回,写锁还未释放。

读锁的获取与释放

读锁是一个可重入的共享锁,它能够同时被多个线程获取,在没有其他写线程访问或者写状态为0时,读锁可以被成功的获取,读状态增加。如果写锁被获取,进入等待状态。接下来我们来看看读锁的核心:自定义同步器的tryAcquireShared实现

tryAcquireShared实现

读锁的tryAcquireShared
  1. 如果写锁已经被其他写线程获取,获取读锁失败;
  2. 计算读状态r(r = c >>> 16),如果当前读线程不需要block,并且r小于读状态最大值,更新读锁同步状态成功:
    a. 读状态 == 0:
    读锁还未被获取,设置第一个拥有读锁的线程firstReader为当前线程,firstReader持有读锁的数量firstReaderHoldCount为1;
    b. 读状态不为0 && firstReader == 当前线程,firstReader持有锁的数量firstReaderHoldCount++
    c. 不符合a,b条件的,设置读线程的持有读锁数量。

注:读锁的同步状态是所有线程获取锁的次数的总和,每个读线程获取读锁的次数保存在ThreadLocal中,由线程自己维护。

  1. 步骤2失败,循环等待获取读锁。

线程持有读锁数量维护

线程读锁持有数量相关实现
  • readHolds:线程持有读锁数量,底层数据结构是ThreadLocal+HoldCounter,很容易看出来HoldCounter记录线程以及线程获取读锁个数;


    持有读锁底层数据结构
  • cacheHolder:最后一个成功持有读锁的线程的读锁的个数;
  • firstReader:第一个成功持有读锁的线程;
  • firstReader:firstReader持有读锁的个数。

读锁的每次释放,同写锁的释放一样,也是减少锁的同步状态,核心的实现同样也是自定义同步器的相关共享状态释放tryReleaseShared实现。

tryReleaseShared实现

读锁的tryReleaseShared.png
  • 设置线程读锁持有数量;
  • 循环释放线程持有的读锁。

读写锁展示内部工作状态实现

  • getReadLockCount


    getReadLockCount实现

    返回当前读锁被获取的次数,但是该次数不等于获取读锁的线程数。比如一个线程,连续获取了n次读锁,那么占据读锁的线程数是1,但是,读锁被获取的次数是n,返回n;

  • getReadHoldCount


    getReadHoldCount实现

    线程获取锁的次数,java 6之后实现更为复杂,线程使用ThreadLocal维护自己获取锁次数;

  • isWriteLocked


    isWriteLocked实现

    判断写锁是否被获取,写状态不为0表示锁状态被获取;

  • getWriteHoldCount


    getWriteHoldCount实现

    返回当前写锁被获取的次数。

锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁,如果当前线程拥有写锁,然后将其释放,最后再获取读锁,这个过程是不能被称为锁降级的。锁降级是指把当前拥有的写锁,再获取到读锁,随后释放写锁的过程。

ReentrantReadWriteLock不支持锁升级(持有读锁,获取写锁,最后释放读锁的过程),目的也是为了数据可见性,如果读锁已经被多个线程获取,其中任意线程成功获取了写锁并且更新了数据,这个更新对其他已经获取到读锁的线程是不可见的。

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