Java的锁机制--ReadWriteLock接口
ReentrantLock是排他锁，排他锁在同一时刻仅有一个线程可以进行访问，实际上独占锁是一种相对比较保守的锁策略，独占锁模式下的读/读、读/写、写/写操作都不能同时发生，这在一定程度上降低了吞吐量。然而读操作之间不存在数据竞争问题，如果读/读操作能够以共享锁的方式进行，那会进一步提升性能。
为解决读写冲突问题，Doug Lea设计了ReadWriteLock接口，该接口只定义了两个方法:
readLock()用来获取读锁，writeLock()用来获取写锁，将共享资源的读/写操作分开进行管理，类似于数据库中的S锁(共享锁)和X锁(独占锁)，其遵循如下原则：
- 共享资源只允许加一种锁，或读锁，或写锁，不能同时加；
- 共享资源可以被多个线程同时加读锁，而写锁只允许加一把；
- 当共享资源被读锁占用时，写线程只能等待；同样的，当共享资源被写锁占用时，读线程只能等待。
所以，读/写、写/写是互斥的，而读/读是互不影响的，大大提升了读操作的效率。
实例
J.U.C中，ReentrantReadWriteLock唯一实现了ReadWriteLock接口。
首先，通过一个简单示例来说明ReentrantReadWriteLock的用法。
假如有多个线程要同时进行读操作的话，首先看synchronized达到的效果：
public class SynchronsizedRead {
public synchronized void get(Thread thread) throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0; i<10; i++){
System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作...");
Thread.sleep(100);
}
System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
}
public static void main(String[] args) {
final SynchronsizedRead synchronsizedread = new SynchronsizedRead();
new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
synchronsizedread.get(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
synchronsizedread.get(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
}
}
运行结果为:
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1读操作完毕
Process finished with exit code 0
可以看到，当持有锁的线程在读取数据的时候，其他读线程只能等待。
接着用ReentrantReadWriteLock来实现上述业务：
public class LockRead {
private ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
public void get(Thread thread) throws InterruptedException {
reentrantReadWriteLock.readLock().lock();
try{
long start = System.currentTimeMillis();
for(int i=0; i<10; i++){
System.out.println(thread.getName() + "正在进行读操作...");
Thread.sleep(100);
}
System.out.println(thread.getName() + "读操作完毕");
}finally{
reentrantReadWriteLock.readLock().unlock();
}
}
public static void main(String[] args) {
final LockRead lockRead = new LockRead();
new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
lockRead.get(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
lockRead.get(Thread.currentThread());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
}
}
运行结果为:
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-0正在进行读操作...
Thread-0读操作完毕
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1正在进行读操作...
Thread-1读操作完毕
Process finished with exit code 0
可以看到，ReentrantReadWriteLock模式下，可以实现多线程下同时读取数据，从而大大提升了读操作的效率。
源码跟读
ReentrantReadWriteLock和ReentrantLock类似的公平锁和非公平锁（默认构造方法是非公平锁），Sync类是一个继承于AQS的抽象类。Sync有FairSync公平锁和NonfairSync非公平锁两个子类：
public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
ReentrantReadWriteLock中包含了下面三个对象：sync对象，读锁readerLock和写锁writerLock。
读锁：
public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;
private final Sync sync;
protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}
public void lock() {
// 调用sync的acquireShared(1)方法实现共享锁的释放
sync.acquireShared(1);
}
// 获取锁(可中断)
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
}
// 获取锁
public boolean tryLock() {
return sync.tryReadLock();
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
// 释放锁
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public Condition newCondition() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public String toString() {
int r = sync.getReadLockCount();
return super.toString() +
"[Read locks = " + r + "]";
}
}
写锁：
public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -4992448646407690164L;
private final Sync sync;
protected WriteLock(ReentrantReadWriteLock lock) {
sync = lock.sync;
}
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
public boolean tryLock( ) {
return sync.tryWriteLock();
}
public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(timeout));
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
public String toString() {
Thread o = sync.getOwner();
return super.toString() + ((o == null) ?
"[Unlocked]" :
"[Locked by thread " + o.getName() + "]");
}
public boolean isHeldByCurrentThread() {
return sync.isHeldExclusively();
}
public int getHoldCount() {
return sync.getWriteHoldCount();
}
}
可以看到，读/写锁均包含了Sync对象，首先查看Sync的构造变量：
// 读锁同步状态占用的位数
static final int SHARED_SHIFT = 16;
// 每次增加读锁同步状态，就相当于增加SHARED_UNIT
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
// 读锁或写锁的最大请求数量（包含重入）
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
// 低16位的MASK，用来计算写锁的同步状态
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
// 返回共享锁数
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 返回独占锁数
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
在ReentrantLock自定义同步器的实现中，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（一个整形变量）上维护多个读线程和一个写线程的状态，那就需要按位切割使用这个状态变量，读写锁将变量切分成两部分，高16位表示读，低16位表示写，划分方式如下：
当前同步状态表示一个线程已经获取了写锁，且重进入了3次，同时也连续获取了2次读锁。同步状态是通过位运算进行更新的，假设当前同步状态是S，写状态等于S & EXCLUSIVE_MASK，即S & 0x0000FFFF，读状态等于S >>> 16.当写状态加1时，等于S+1，当读状态加1时，等于S+SHARED_UNIT，即S+(1 << 16)，也就是S + 0x00010000。
即读锁和写锁的状态获取和设置如下：
- 读锁状态的获取：S >> 16
- 读锁状态的增加：S + (1 << 16)
- 写锁状态的获取：S & 0x0000FFFF
- 写锁状态的增加：S + 1
Sync类内部存在两个内部类，分别为HoldCounter和ThreadLocalHoldCounter，其中HoldCounter主要与读锁配套使用，其中，HoldCounter源码如下:
// 计数器
static final class HoldCounter {
// 计数
int count = 0;
// Use id, not reference, to avoid garbage retention
// 获取当前线程的TID属性的值
final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
说明：HoldCounter主要有两个属性，count和tid，其中count表示某个读线程重入的次数，tid表示该线程的tid字段的值，该字段可以用来唯一标识一个线程。ThreadLocalHoldCounter的源码如下:
// 本地线程计数器
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal<HoldCounter> {
// 重写初始化方法，在没有进行set的情况下，获取的都是该HoldCounter值
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}
说明：ThreadLocalHoldCounter重写了ThreadLocal的initialValue方法，ThreadLocal类可以将线程与对象相关联。在没有进行set的情况下，get到的均是initialValue方法里面生成的那个HolderCounter对象。
Sync类继承自AQS，实现了锁的获取和释放方法。
写锁的获取及释放
WriteLock类中的lock和unlock方法：
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
public void unlock() {
sync.release(1);
}
可以看到就是调用的独占式同步状态的获取与释放，因此真实的实现就是Sync的tryAcquire和tryRelease。
跟进tryAcquire：
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;
}
基本流程如下图：
跟进tryRelease:
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;
}
写锁的释放过程还是相对而言比较简单的：首先查看当前线程是否为写锁的持有者，如果不是抛出异常。然后检查释放后写锁的线程数是否为0，如果为0则表示写锁空闲了，释放锁资源将锁的持有线程设置为null，否则释放仅仅只是一次重入锁而已，并不能将写锁的线程清空。
读锁的获取与释放
类似于写锁，读锁的lock和unlock的实际实现对应Sync的tryAcquireShared和tryReleaseShared方法。
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);
}
其中sharedCount方法表示占有读锁的线程数量，源码如下：
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
说明：直接将state右移16位，就可以得到读锁的线程数量，因为state的高16位表示读锁，对应的第十六位表示写锁数量。
读锁获取锁的过程比写锁稍微复杂些，首先判断写锁是否为0并且当前线程不占有独占锁，直接返回；否则，判断读线程是否需要被阻塞并且读锁数量是否小于最大值并且比较设置状态成功，若当前没有读锁，则设置第一个读线程firstReader和firstReaderHoldCount；若当前线程线程为第一个读线程，则增加firstReaderHoldCount；否则，将设置当前线程对应的HoldCounter对象的值。流程图如下:
读锁的释放，tryReleaseShared方法:
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;
}
}
说明：此方法表示读锁线程释放锁。首先判断当前线程是否为第一个读线程firstReader，若是，则判断第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount是否为1，若是，则设置第一个读线程firstReader为空，否则，将第一个读线程占有的资源数firstReaderHoldCount减1；若当前线程不是第一个读线程，那么首先会获取缓存计数器（上一个读锁线程对应的计数器 ），若计数器为空或者tid不等于当前线程的tid值，则获取当前线程的计数器，如果计数器的计数count小于等于1，则移除当前线程对应的计数器，如果计数器的计数count小于等于0，则抛出异常，之后再减少计数即可。无论何种情况，都会进入无限循环，该循环可以确保成功设置状态state。其流程图如下:
在读锁的获取、释放过程中，总是会有一个对象存在着，同时该对象在获取线程获取读锁是+1，释放读锁时-1，该对象就是HoldCounter。
要明白HoldCounter就要先明白读锁。前面提过读锁的内在实现机制就是共享锁，对于共享锁其实我们可以稍微的认为它不是一个锁的概念，它更加像一个计数器的概念。一次共享锁操作就相当于一次计数器的操作，获取共享锁计数器+1，释放共享锁计数器-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。所以HoldCounter的作用就是当前线程持有共享锁的数量，这个数量必须要与线程绑定在一起，否则操作其他线程锁就会抛出异常。
先看读锁获取锁的部分：
if (r == 0) {//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
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {//第一个读锁线程重入
firstReaderHoldCount++;
} else { //非firstReader计数
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;//readHoldCounter缓存
//rh == null 或者 rh.tid != current.getId()，需要获取rh
if (rh == null || rh.tid != current.getId())
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh); //加入到readHolds中
rh.count++; //计数+1
}
这里为什么要搞一个firstRead、firstReaderHoldCount呢？而不是直接使用else那段代码？这是为了一个效率问题，firstReader是不会放入到readHolds中的，如果读锁仅有一个的情况下就会避免查找readHolds。可能就看这个代码还不是很理解HoldCounter。我们先看firstReader、firstReaderHoldCount的定义：
private transient Thread firstReader = null;
private transient int firstReaderHoldCount;
这两个变量比较简单，一个表示线程，当然该线程是一个特殊的线程，一个是firstReader的重入计数。
故而，HoldCounter应该就是绑定线程上的一个计数器，而ThradLocalHoldCounter则是线程绑定的ThreadLocal。从上面我们可以看到ThreadLocal将HoldCounter绑定到当前线程上，同时HoldCounter也持有线程Id，这样在释放锁的时候才能知道ReadWriteLock里面缓存的上一个读取线程（cachedHoldCounter）是否是当前线程。这样做的好处是可以减少ThreadLocal.get()的次数，因为这也是一个耗时操作。需要说明的是这样HoldCounter绑定线程id而不绑定线程对象的原因是避免HoldCounter和ThreadLocal互相绑定而GC难以释放它们（尽管GC能够智能的发现这种引用而回收它们，但是这需要一定的代价），所以其实这样做只是为了帮助GC快速回收对象而已。
参考文献：
- https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3923737.html
- https://www.cnblogs.com/shixm/p/5490026.html
- https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/9140541.html
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