ReentrantReadWriteLock 源码分析
阅读建议：虽然我这里会介绍一些 AQS 的知识，不过如果你完全不了解 AQS，看本文就有点吃力了
目录：
1.简介
2.一个缓存示例说明读写锁的使用方式
3.读写锁的实现分析
3.1 读写状态的设计
3.2 ReentrantReadWriteLock 总览
3.3写锁的获取
3.4写锁的释放
3.5读锁的获取
3.6读锁的释放
4.锁降级
1.简介
ReentrantLock实现是排他锁，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。
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
ReentrantReadWriteLock的特性
2.一个缓存示例说明读写锁的使用方式
public class Cache {
private static final Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
private static final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
private static final Lock r = rwl.readLock();
private static final Lock w = rwl.writeLock();
// 获取一个key对应的value
public static final Object get(String key) {
r.lock();
try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}
// 设置key对应的value，并返回旧的value
public static final Object put(String key, Object value) {
w.lock();
try {
return map.put(key, value);
} finally {
w.unlock();
}
}
// 清空所有的内容
public static final void clear() {
w.lock();
try {
map.clear();
} finally {
w.unlock();
}
}
}
Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作put(String key,Object value)方法和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当获取写锁后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。
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。
ReentrantReadWriteLock 使用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
读写锁状态的划分方式
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。读写锁是如何迅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为S，写状态等于S&0x0000FFFF（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。
3.2 ReentrantReadWriteLock 总览
ReadLock 和 WriteLock 的代码提出来一起看，清晰一些：
ReadLock 和 WriteLock 中的方法都是通过 Sync 这个类来实现的。Sync 是 AQS 的子类，然后再派生了公平模式和不公平模式。
从它们调用的 Sync 方法，我们可以看到： ReadLock 使用了共享模式，WriteLock 使用了独占模式。
等等，同一个 AQS 实例怎么可以同时使用共享模式和独占模式？？？
这里给大家回顾下 AQS，我们横向对比下 AQS 的共享模式和独占模式：
3.3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，获取写锁的代码如下
@ReservedStackAccess
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
//也就是说，只要有读锁或写锁被占用，这次就不能获取到写锁
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 这里不需要 CAS，能到这里的，只可能是写锁重入，不然在上面的 if 就拦截了
setState(c + acquires);
return true;
}
// 如果写锁获取不需要 block，那么进行 CAS，成功就代表获取到了写锁
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。
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。
3.4写锁的释放
血锁的释放，是线程安全的，因为写锁是独占锁，具有排他性，所以写锁的释放与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
@ReservedStackAccess
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
// 如果 exclusiveCount(nextc) == 0，也就是说包括重入的，所有的写锁都释放了
// 那么返回 true，这样会进行唤醒后继节点的操作。
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
3.5读锁的获取
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。因此，这里将获取读锁的代码做了删减，保留必要的部分
@ReservedStackAccess
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.如果另一个线程持有写锁，则失败。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 读锁的获取次数
int r = sharedCount(c);
// 读锁获取是否需要被阻塞
if (!readerShouldBlock() &&
// 判断是否会溢出 (2^16-1，没那么容易溢出的)
r < MAX_COUNT &&
// 下面这行 CAS 是将 state 属性的高 16 位加 1，
//低 16 位不变，如果成功就代表获取到了读锁
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// r == 0 ->此线程是第一个获取读锁的
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
// 第一个获取 readLock 的是 current 线程, 直接计数器加 1
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 先从 cachedHoldCounter拿数据, 数据不对的话, 再从readHolds拿数据
if (rh == null ||
rh.tid != LockSupport.getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
//代码调用 fullTryAcquireShared
return fullTryAcquireShared(current);
}
fullTryAcquireShared 这个方法其实是 tryAcquireShared 的冗余(redundant)方法, 主要补足 readerShouldBlock 导致的获取等待 和 CAS 修改 AQS 中 state 值失败进行的修补工作
3.6读锁的释放
protected final boolean tryReleaseShared(int unused){
Thread current = Thread.currentThread();
//判断现在进行 release 的线程是否是 firstReader
if(firstReader == current){
// assert firstReaderHoldCount > 0
// 只获取一次 readLock 直接置空 firstReader
if(firstReaderHoldCount == 1){
firstReader = null;
}else{
3. 将 firstReaderHoldCount 减 1
firstReaderHoldCount--;
}
}else{
// 先通过 cachedHoldCounter 来取值
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// cachedHoldCounter 代表的是上次获取 readLock 的线程, 若这次进行 release 的线程不是, 再通过 readHolds 进行 lookup 查找
if(rh == null || rh.tid != getThreadId(current)){
rh = readHolds.get();
}
int count = rh.count;
// count <= 1 时要进行 ThreadLocal 的 remove , 不然容易内存泄露
if(count <= 1){
readHolds.remove();
if(count <= 0){
// 并发多次释放就有可能出现
throw unmatchedUnlockException();
}
}//HoldCounter.count 减 1
--rh.count;
}
for(;;){
// 这里是一个 loop CAS 操作, 因为可能其他的线程此刻也在进行 release操作
int c = getState();
int nextc = c - SHARED_UNIT;
// 这里是 readLock 的减 1, 也就是 aqs里面state的高 16 上进行 减 1
//所以 减 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;
// 返回值是判断 是否还有 readLock 没有释放完, 当释放完了会进行后继节点的
//唤醒( readLock 在进行获取成功时也进行传播式的唤醒后继的 获取 readLock 的节点)
}
}
}
读锁释放的过程还是比较简单的，主要就是将 hold count 减 1，如果减到 0 的话，还要将 ThreadLocal 中的 remove 掉。
然后是在 for 循环中将 state 的高 16 位减 1，如果发现读锁和写锁都释放光了，那么唤醒后继的获取写锁的线程。
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。
接下来看一个锁降级的示例。因为数据不常变化，所以多个线程可以并发地进行数据处理，当数据变更后，如果当前线程感知到数据变化，则进行数据的准备工作，同时其他处理线程被阻塞，直到当前线程完成数据的准备工作
public void processData() {
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();
}
}
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。
参考文献：
[1] ReentrantReadWriteLock 源码分析(基于Java 8)
[2] Java 读写锁 ReentrantReadWriteLock 源码分析
[3] Java的ReadWriteLock实现机制解析（一）
[4] 《Java并发编程艺术》
