1. 定义

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 线程和其他写线程均被阻塞。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。假设在程序中定义一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务 （例如查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，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它锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现是 ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如下所示:

• 公平性:支持公平和非公平的锁获取方式
• 重进入:读线程在获取了读锁之后，能够再次获取读锁。而写线程获取了写锁之后，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顺序，写锁能够降级称为读锁

2. 读写锁的接口

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()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下所示:

• int getReadLockCount():返回当前读锁被获取的次数
• int getReadHoldCount():返回当前线程获取读锁的次数
• boolean isWriteLocked():判断写锁是否被获取
• int getWriteHoldCount():返回当前写锁被获取的次数

3. 读写锁的实现分析

3.1 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。 回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而读写锁的自定义同步器需要在同步状态（一个整型变量）上维护多个读线程和一个写线程的状态，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。

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。

3.2 写锁的获取与释放

3.2.1 写锁的获取

写锁是一个支持重进入的排它锁。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。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    //获取状态
    int c = getState();
    //写线程数量（即获取独占锁的重入数）
    int w = exclusiveCount(c);

    //当前同步状态state != 0，说明已经有其他线程获取了读锁或写锁
    if (c != 0) {
        // 当前state不为0，此时：如果写锁状态为0说明读锁此时被占用返回false；
        // 如果写锁状态不为0且写锁没有被当前线程持有返回false
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;

        //判断同一线程获取写锁是否超过最大次数（65535），支持可重入
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //更新状态
        //此时当前线程已持有写锁，现在是重入，所以只需要修改锁的数量即可。
        setState(c + acquires);
        return true;
    }

    //到这里说明此时c=0,读锁和写锁都没有被获取
    //writerShouldBlock表示是否阻塞
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;

    //设置锁为当前线程所有
    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，只有等待其他读线程都释放了读锁，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。

3.2.2 写锁的释放

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0 时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对 后续读写线程可见。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    //若锁的持有者不是当前线程，抛出异常
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //写锁的新线程数
    int nextc = getState() - releases;
    //如果独占模式重入数为0了，说明独占模式被释放
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        //若写锁的新线程数为0，则将锁的持有者设置为null
        setExclusiveOwnerThread(null);
    //设置写锁的新线程数
    //不管独占模式是否被释放，更新独占重入数
    setState(nextc);
    return free;
}

3.3 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，在没有其他写线程访问 （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。获取读锁的实现从Java 5到Java 6变得复杂许多，主要原因是新增了一些功能，例如getReadHoldCount()方法，作用是返回当前线程获取读锁的次数。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。

3.3.1 读锁的获取

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。

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    // 获取当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取状态
    int c = getState();

    //如果写锁线程数 != 0 ，且独占锁不是当前线程则返回失败，因为存在锁降级
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    // 读锁数量
    int r = sharedCount(c);
    /*
     * readerShouldBlock():读锁是否需要等待（公平锁原则）
     * r < MAX_COUNT：持有线程小于最大数（65535）
     * compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)：设置读取锁状态
     */
     // 读线程是否应该被阻塞、并且小于最大值、并且比较设置成功
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        //r == 0，表示第一个读锁线程，第一个读锁firstRead是不会加入到readHolds中
        if (r == 0) { // 读锁数量为0
            // 设置第一个读线程
            firstReader = current;
            // 读线程占用的资源数为1
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) { // 当前线程为第一个读线程，表示第一个读锁线程重入
            // 占用资源数加1
            firstReaderHoldCount++;
        } else { // 读锁数量不为0并且不为当前线程
            // 获取计数器
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            // 计数器为空或者计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                // 获取当前线程对应的计数器
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0) // 计数为0
                //加入到readHolds中
                readHolds.set(rh);
            //计数+1
            rh.count++;
        }
        return 1;
    }
    return fullTryAcquireShared(current);
}

3.3.2 读锁的释放

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

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    // 获取当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    if (firstReader == current) { // 当前线程为第一个读线程
        // assert firstReaderHoldCount > 0;
        if (firstReaderHoldCount == 1) // 读线程占用的资源数为1
            firstReader = null;
        else // 减少占用的资源
            firstReaderHoldCount--;
    } else { // 当前线程不为第一个读线程
        // 获取缓存的计数器
        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 计数器为空或者计数器的tid不为当前正在运行的线程的tid
            // 获取当前线程对应的计数器
            rh = readHolds.get();
        // 获取计数
        int count = rh.count;
        if (count <= 1) { // 计数小于等于1
            // 移除
            readHolds.remove();
            if (count <= 0) // 计数小于等于0，抛出异常
                throw unmatchedUnlockException();
        }
        // 减少计数
        --rh.count;
    }
    for (;;) { // 无限循环
        // 获取状态
        int c = getState();
        // 获取状态
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比较并进行设置
            // 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;
    }
}

3.4 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，这种分段完成的过程不能称之为锁降级。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。

锁降级中读锁的获取是否必要呢？答案是必要的。主要是为了保证数据的可见性，如果 当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（记作线程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。如果当前线程获取读锁，即遵循锁降级的步骤，则线程T将会被阻塞，直到当前线程使用数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进 行数据更新。

RentrantReadWriteLock不支持锁升级（把持读锁、获取写锁，最后释放读锁的过程）。目的 也是保证数据可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁并更新了 数据，则其更新对其他获取到读锁的线程是不可见的。

参考资料

1.《Java并发编程的艺术》

2. ReentrantReadWriteLock读写锁详解 https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/9140541.html