读写锁 ReentrantReadWriteLock源码分析

一、ReentrantReadWriteLock结构

二、读写状态的设计

设计的精髓：用一个变量如何维护多种状态 在 ReentrantLock 中，使用 Sync ( 实际是 AQS )的 int 类型的 state 来表示同步状态，表示锁被一个线程重复获取的次数。但是，读写锁 ReentrantReadWriteLock 内部维护着一对读写锁，如果要用一个变量维护多种状态，需要采用“按位切割使用”的方式来维护这个变量，将其切分为两部分：高16为表示读，低16为表示写。

分割之后，读写锁是如何迅速确定读锁和写锁的状态呢？通过位运算。假如当前同步状态为S，那么：

• 写状态，等于 S & 0x0000FFFF（将高 16 位全部抹去）。 当写状态加1，等于S+1.
• 读状态，等于 S >>> 16 (无符号补 0 右移 16 位)。当读状态加1，等于S+（1<<16）,也就是S+0x00010000

根据状态的划分能得出一个推论：S不等于0时，当写状态（S&0x0000FFFF）等于0时，则读状态（S>>>16）大于0，即读锁已被获取。

代码实现：java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock.Sync

• exclusiveCount(int c) 静态方法，获得持有写状态的锁的次数。
• sharedCount(int c) 静态方法，获得持有读状态的锁的线程数量。不同于写锁，读锁可以同时被多个线程持有。而每个线程持有的读锁支持重入的特性，所以需要对每个线程持有的读锁的数量单独计数，这就需要用到 HoldCounter 计数器

三、HoldCounter 计数器

读锁的内在机制其实就是一个共享锁。一次共享锁的操作就相当于对HoldCounter 计数器的操作。获取共享锁，则该计数器 + 1，释放共享锁，该计数器 - 1。只有当线程获取共享锁后才能对共享锁进行释放、重入操作。

通过 ThreadLocalHoldCounter 类，HoldCounter 与线程进行绑定。HoldCounter 是绑定线程的一个计数器，而 ThreadLocalHoldCounter 则是线程绑定的 ThreadLocal。

• HoldCounter是用来记录读锁重入数的对象
• ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal变量，用来存放不是第一个获取读锁的线程的其他线程的读锁重入数对象

四、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。

写锁的获取是通过重写AQS中的tryAcquire方法实现的。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    //当前线程
    Thread current = Thread.currentThread();
    //获取state状态   存在读锁或者写锁，状态就不为0
    int c = getState();
    //获取写锁的重入数
    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) {
        // c!=0 && w==0 表示存在读锁
        // 当前存在读锁或者写锁已经被其他写线程获取，则写锁获取失败
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        // 超出最大范围  65535
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        //同步state状态
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    // writerShouldBlock有公平与非公平的实现, 非公平返回false，会尝试通过cas加锁
    //c==0 写锁未被任何线程获取，当前线程是否阻塞或者cas尝试获取锁 
    if (writerShouldBlock() ||
            !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
 
    //设置写锁为当前线程所有
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
复制代码

通过源码我们可以知道：

• 读写互斥
• 写写互斥
• 写锁支持同一个线程重入
• writerShouldBlock写锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync

五、写锁的释放

写锁释放通过重写AQS的tryRelease方法实现

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();
    int nextc = getState() - releases;
    //当前写状态是否为0，为0则释放写锁
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(nextc);
    return free;
复制代码

六、读锁的获取

实现共享式同步组件的同步语义需要通过重写AQS的tryAcquireShared方法和tryReleaseShared方法。读锁的获取实现方法为：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 如果写锁已经被获取并且获取写锁的线程不是当前线程，当前线程获取读锁失败返回-1   判断锁降级
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
            getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    //计算出读锁的数量
    int r = sharedCount(c);
    /**
     * 读锁是否阻塞    readerShouldBlock()公平与非公平的实现
     * r < MAX_COUNT： 持有读锁的线程小于最大数（65535）
     *  compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT) cas设置获取读锁线程的数量
     */
    if (!readerShouldBlock() &&
            r < MAX_COUNT &&
            compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {   //当前线程获取读锁
 
        if (r == 0) {  //设置第一个获取读锁的线程
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;  //设置第一个获取读锁线程的重入数
        } else if (firstReader == current) { // 表示第一个获取读锁的线程重入
            firstReaderHoldCount++;
        } else { // 非第一个获取读锁的线程
            HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
            else if (rh.count == 0)
                readHolds.set(rh);
            rh.count++;  //记录其他获取读锁的线程的重入次数
        }
        return 1;
    }
    // 尝试通过自旋的方式获取读锁,实现了重入逻辑
    return fullTryAcquireShared(current);
复制代码

七、读锁的释放

获取到读锁，执行完临界区后，要记得释放读锁（如果重入多次要释放对应的次数），不然会阻塞其他线程的写操作。

读锁释放的实现主要通过方法tryReleaseShared：

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    //如果当前线程是第一个获取读锁的线程
    if (firstReader == current) {
        // assert firstReaderHoldCount > 0;
        if (firstReaderHoldCount == 1)
            firstReader = null;
        else
            firstReaderHoldCount--; //重入次数减1
    } else {  //不是第一个获取读锁的线程
        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;  //重入次数减1
    }
    for (;;) {  //cas更新同步状态
        int c = getState();
        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;
    }
复制代码

• 读锁共享，读读不互斥
• 读锁可重入，每个获取读锁的线程都会记录对应的重入数
• 读写互斥，锁降级场景除外
• 支持锁降级，持有写锁的线程，可以获取读锁，但是后续要记得把读锁和写锁读释放
• readerShouldBlock读锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync）