Java并发编程-ReentrantReadWriteLock

　　基于AQS的前世今生，来学习并发工具类ReentrantReadWriteLock。本文将从ReentrantReadWriteLock的产生背景、源码原理解析和应用来学习这个并发工具类。

1、 产生背景

　　前面我们学习的重入锁ReentrantLock本质上还是互斥锁，每次最多只能有一个线程持有ReentrantLock。对于维护数据完整性来说，互斥通常是一种过于强硬的规则，因此也就不必要的限制了并发性。互斥是一种保守的加锁策略，虽然可以避免“写/写”冲突和“写/读”冲突，但也同样避免了“读/读”冲突。和互联网的“二八法则”一样，大部分数据都是读数据，可以存放在缓存中，数据结构的操作其实很多也是读操作，可以考虑适当的放宽加锁需求，允许多个读操作线程同时访问数据结构以提升程序的性能。在这样的需求背景下，就产生了读写锁ReadWriteLock，一个资源可以同时被多个读操作访问，或者被一个写操作访问，但是不能读写操作同时访问。ReadWriteLock定义了接口规范，实际实现读写锁控制的类是ReentrantReadWriteLock，该类为读写锁提供了可重入的加锁语义。

2、 源码原理解析

2.1 读写锁原理

　　既然是读写锁，那就是有两把锁，可以用AQS的同步状态表示其中的一把锁，再引入一个新的属性表示另外一把锁，但是这么做就变成了二元并发安全问题，使问题变得更加复杂。ReentrantReadWriteLock选择了用一个属性，即AQS的同步状态来表示读写锁，怎样用一个属性来表示读写锁呢？那就是位运算，对位运算不熟悉的可以先看下此文。

　　ReentantReadWriteLock采用“按位切割”的方式，就是将这个32位的int型state变量分为高16位和低16位来使用，高16位代表读状态，低16位代表写状态。读锁是可以共享的，而写锁是互斥的，对于写锁而言，用低16位表示线程的重入次数，但是读锁因为可以同时有多个线程，所以重入次数需要通过其他的方式来记录，那就是ThreadLocal变量。从这也可以总结出来和ReentrantLock相比，写锁的重入次数会减少，最多不能超过65535次。读锁的线程数也有限制，最对不能超过65535个。

　　假设状态变量是c，则读状态就是c>>>16（无符号右移16位），其实就是通过无符号右移运算抹掉低的16位，剩下的就是c的高16位。写状态是c&((1 << 16) - 1)，其实就是c&00000000000000001111111111111111，与运算之后，高的16位被抹掉，剩下的就是c的低16位。如果读线程申请读锁，当前写锁重入次数不为 0 时，则等待，否则可以马上分配；如果是写线程申请写锁，当前状态为 0 则可以马上分配，否则等待。

2.2 读锁的获取和释放

　　读锁的获取方法如下：

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();//当前线程
            int c = getState();
                //持有写锁的线程可以获取读锁
            if (exclusiveCount(c) != 0 &&  //已经分配了写锁
                getExclusiveOwnerThread() != current) //当前线程不是持有写锁的线程
                return -1;
            int r = sharedCount(c); //读锁获取次数
            if (!readerShouldBlock() && //由子类根据公平策略实现决定是否可获取读锁
                r < MAX_COUNT && //读锁获取次数小于最大值
                compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//更新读锁状态
                if (r == 0) {//读锁的第一个线程 此时可以不用记录到ThreadLocal
                    firstReader = current; 
                    firstReaderHoldCount = 1; //避免查找ThreadLocal 提升效率
                } else if (firstReader == current) {//读锁的第一个线程重入
                    firstReaderHoldCount++;
                } else {//非读锁的第一个线程
                    HoldCounter rh = cachedHoldCounter; //下面为重入次数更新
                    if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                        cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
                    else if (rh.count == 0)
                        readHolds.set(rh);
                    rh.count++;
                }
                return 1;
            }
            return fullTryAcquireShared(current); //获取读锁失败 循环重试
        }
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
            HoldCounter rh = null;
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (exclusiveCount(c) != 0) {//获取到写锁
                    if (getExclusiveOwnerThread() != current) 
                        return -1; //非写锁线程获取失败
                    // else we hold the exclusive lock; blocking here
                    // would cause deadlock.
                } else if (readerShouldBlock()) {
                    // Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
                    if (firstReader == current) {
                        // assert firstReaderHoldCount > 0;
                    } else {
                        if (rh == null) {
                            rh = cachedHoldCounter;
                            if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
                                rh = readHolds.get();
                                if (rh.count == 0)
                                    readHolds.remove();
                            }
                        }
                        if (rh.count == 0)
                            return -1;
                    }
                }
                if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) //读锁数量达到最大
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//读锁获取成功 处理方式和之前类似
                    if (sharedCount(c) == 0) {
                        firstReader = current;
                        firstReaderHoldCount = 1;
                    } else if (firstReader == current) {
                        firstReaderHoldCount++;
                    } else {
                        if (rh == null)
                            rh = cachedHoldCounter;
                        if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                            rh = readHolds.get();
                        else if (rh.count == 0)
                            readHolds.set(rh);
                        rh.count++;
                        cachedHoldCounter = rh; // cache for release
                    }
                    return 1;
                }
            }
        }

　　读锁的释放方法如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            if (firstReader == current) {//当前线程是读锁的第一个线程
                // assert firstReaderHoldCount > 0;
                if (firstReaderHoldCount == 1) //第一次占有读锁 直接清除该线程
                    firstReader = null;
                else
                    firstReaderHoldCount--;//读锁的第一个线程重入次数减少
            } else {
                HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
                if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
                    rh = readHolds.get();
                int count = rh.count;
                if (count <= 1) {
                    readHolds.remove();//读锁释放
                    if (count <= 0)
                        throw unmatchedUnlockException();
                }
                --rh.count; //重入次数减少
            }
            for (;;) {
                int c = getState();
                int nextc = c - SHARED_UNIT;
                    //减少读锁的线程数量
                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;
            }
        }

2.3 写锁的获取和释放

　　写锁的获取方法如下：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            int w = exclusiveCount(c);//写锁状态
            if (c != 0) {//表示锁已经被分配出去了 if c != 0 and w == 0表示获取读锁
                // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
                    //其他线程获取到了写锁
                if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                    return false;
                    //写锁重入次数超过最大值
                if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                // Reentrant acquire  更新写锁重入次数
                setState(c + acquires);
                return true;
            }
            if (writerShouldBlock() ||//子类实现写锁是否公平获取
                !compareAndSetState(c, c + acquires))
                return false;//cas获取写锁失败
            setExclusiveOwnerThread(current);//获取写锁成功 独占
            return true;
        }

　　写锁的释放方法如下：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
            if (!isHeldExclusively())//当前线程不持有写锁
                throw new IllegalMonitorStateException();
            int nextc = getState() - releases; //重入次数减少
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; //减少到0写锁释放
            if (free)
                setExclusiveOwnerThread(null); //写锁释放
            setState(nextc);
            return free;
        }

2.4 锁降级

　　锁降级指的是写锁降级为读锁，首先持有当前写锁，然后获取到读锁，在tryAcquireShared方法中已经体现了该过程，随后再释放该写锁的过程。锁降级主要是为了保持数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此时有另外的线程获取到了写锁并修改了数据，那么当前线程是无法知晓数据已经更新了。如果当前线程遵循锁降级的过程，则其他线程会被阻塞，直到当前线程操作完成其他线程才可以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。

3、应用

　　概况性的总结RentrantReadWriteLock的应用，就是ReentrantLock能使用的地方，RentrantReadWriteLock都能使用，而且能提供更好的吞吐率。

参考资料:

https://github.com/lingjiango/ConcurrentProgramPractice