ReentrantReadWriteLock源码解析
在使用synchronize关键字修饰方法后，只允许一个线程进行访问，这个虽然有利于保证数据安全，却实际场景背道而驰的。实际中数据都是读取多，写入少，我们需要更粗细粒的并发锁。JVM concurrent.locks包给我们提供ReadWriteLock读写锁，内置两把锁，读锁、写锁，满足多个线程并发读取数据，写入时互斥所有线程，既保证了数据安全，又提升了响应量。
概念
读锁： 可以理解成共享锁，允许多个线程同时读取 写锁： 独占锁，有且只允许一个线程访问 读写互斥： 在获取写锁时，必须等待所有读锁全部释放，才能获取成功，读锁会堵塞写锁，写锁会堵塞所有的线程。 锁升级： 在使用读锁时，已经获取读锁线程在没有释放读锁的情况下，去获取写锁这就是锁升级。这是不被允许的，锁升级会造成死锁。
// 这个会造成死锁
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.readLock().lock();
lock.writeLock().lock();
锁降级： 已经获取到写锁线程，被允许在没有释放锁的情况下去获取读锁的，值得注意读锁、写锁仍然需要单独释放。
//并不会造成死锁
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
lock.writeLock().lock();
lock.readLock().lock();
使用官方例子演示ReentrantReadWriteLock 使用场景，每次获取缓存时，先判断缓存是否已经失效了，如果失效了使用写锁更新缓存。
class CachedData {
Object data;
volatile boolean cacheValid; //缓存失效标记
final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
void processCachedData() {
rwl.readLock().lock();
if (!cacheValid) {
// 必须释放了读锁才能去获取写锁，这样不会造成死锁
rwl.readLock().unlock();
rwl.writeLock().lock();
try {
// 双重检查状态，因为在获取锁的可能被其他线程更新状态了
// 获取到写锁，更新缓存和状态
if (!cacheValid) {
data = ...
cacheValid = true;
}
// 通过在释放写锁之前获取读锁来降级
rwl.readLock().lock();
} finally {
rwl.writeLock().unlock();
// Unlock write, still hold read
}
}
try {
use(data);
} finally {
rwl.readLock().unlock();
}
}
}
代码很少，但是非常有代表性，非常适合缓存这种读取多，更新少的场景。在每次读取缓存时，先开启读锁，检查缓存状况，需要更新缓存时。先释放读锁然后再去获取写锁，在更新前先判断缓存又没被其他线程更新过了，更新完数据后降级到读锁，再释放写锁，使用缓存释放读锁。
源码解析
这里源码分析只有简单讲解两个锁的获取、释放原理，看阅读源码之前，自备AQS的知识点。
ReentrantReadWriteLock是实现ReadWriteLock接口的实现类，内部使用AQS的int state来表示读写锁的状态
如上图所示，两个锁的获取、释放都是同时使用int state来进行，使用低16位表示写锁获取次数、高16位表示读锁获取次数。使用内部类Sync 单独编写共享锁、独占锁的获取释放具体实现，再使用ReadLock、WriteLock分别调用共享锁、独占锁的方法。源码阅读先从Sync内部类开始。
内部属性
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
//读 写 锁分界点
static final int SHARED_SHIFT = 16;
//读锁最小单位，刚好表示当前拥有一个读锁线程
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
// 支持最大读取次数
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//写锁掩码
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
/** 计算当前获取共享锁数量 */
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** 计算当前获取独占锁数量 */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
//主要用于保存每一个读锁线程的重入次数
static final class HoldCounter { //初始化对象，就将当前线程id赋值给tid
int count = 0; //重入次数
// Use id, not reference, to avoid garbage retention
final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
/**
* 保存HoldCounter到每一个线程私有栈祯
*/
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal<HoldCounter> {
public HoldCounter initialValue() { //实现初始化接口，每一次调用get()时，没有值就会调用初始化方法
return new HoldCounter();
}
}
/**
* 记录读锁重入次数
*/
private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;
/**
* 这个是上一个读锁HoldCounter 缓存
*/
private transient HoldCounter cachedHoldCounter;
我这里认为读锁做一个共享锁在重入次数上，state不能准确表达出每一个线程到底重入了多少次，所以需要用到HoldCounter来记录每一个线程获取锁次数，在释放锁的时候，会看下如何使用的。
共享锁的获取和释放
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 当独占锁不等于0，这时只有独占锁是自身的情况下才能获取到读锁
//两个条件都满足时，写锁获取到读锁 锁降级
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
int r = sharedCount(c); //持有共享锁数
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
//这里只对高位进行累加,设置成功就相当于获取锁成功了
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (r == 0) { //首次加锁 firstReader 必须是读锁线程
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) { //重入
firstReaderHoldCount++;
} else { //当前线程不是首个读锁持有者，要使用HoldCounter 记录重入
HoldCounter rh = cachedHoldCounter; //这是上一个线程缓存
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
//这里会返回当前线程初始化值 也就是数量为空0
//将当前线程重入对象赋值给缓存
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0) //第一次进入
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
// cas 竞争失败，完整版本共享锁获取
return fullTryAcquireShared(current);
}
readerShouldBlock 是一个队列堵塞策略方法，用于区分公平锁和非公平锁的实现，当返回true时，会堵塞所有获取读锁线程。
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) { //自旋获取锁，直到成功
int c = getState();
if (exclusiveCount(c) != 0) { //这时已经是写锁状态
if (getExclusiveOwnerThread() != current) //不是锁降级就退出循环
return -1;
// else we hold the exclusive lock; blocking here
// would cause deadlock.
} else if (readerShouldBlock()) { //当返回true，则说明已经存在堵塞线程，这是要么自旋，要么失败
// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
if (firstReader == current) { //重入获取读锁，这也是不行的
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else { //判断线程栈祯是否还有重入，如果出现重入自旋等待
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) //锁已经释放了，不能算是重入了，直接失败了
return -1;
}
}
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { //高16位运算，获取共享锁成功
if (sharedCount(c) == 0) { // 下面代码跟上面基本一致，略过.....
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;
}
}
}
总结下： 当获取共享锁时，只有检测到独占锁时，获取锁方法会立即返回失败。 看下共享锁释放
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1) //锁已经退出，归还缓存
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
} else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
if (count <= 1) { //当前锁没有重入，直接删除
readHolds.remove();
if (count <= 0) //多次释放锁
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
for (;;) { //自旋 锁数量减一
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; //共享锁数据为0
}
}
HoldCounter用于维护每一个线程释放锁数量，保证释放不会超过自身持有的数量。
独占锁获取和释放
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) { // c 不能等于0 ，当前仍然持有锁，有可能是独占锁或者是共享锁
// 如果独占锁为空0，则说明当前仍然有线程没有释放读锁，这个不满足写锁获取，直接失败
//w > 0 ,这是说明已经有线程获取独占锁了，这时必须是重入才会获取成功
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//这里是重入了
setState(c + acquires);
return true;
}
//竞争获取锁
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
writerShouldBlock：当返回true会堵塞获取锁的线程，用于区分公平锁和非公平锁实现。结合上面代码，当返回true时，不会去获取锁，直接失败了。 独占锁释放
protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively()) //持有独占锁线程不是当前线程
throw new IllegalMonitorStateException();
int nextc = getState() - releases;
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free) //所有锁都被释放了，可以将独占锁线程致空
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
return free;
}
公平锁和非公平锁
ReentrantReadWriteLock内部有两个锁可以选择，公平锁和非公平锁。通过构造参数进行选择,默认使用非公平锁。
public ReentrantReadWriteLock() {
this(false);
}
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
public ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() { return readerLock; }
非公平锁： 在获取读锁或者写锁时，获取锁的线程并不是顺序的，在堵塞队列中的线程可能长期等待，获取不到锁，而没有在堵塞队列中等待线程反而能快速获取到锁，这个会造成线程饥饿，但是会比公平锁有更高的吞吐量。 公平锁： 保证每一个等待最久线程最先获取到线程执行权，线程都会按照AQS堵塞顺序获取锁，这样有利于避免线程饥饿的产生，但是在在获取锁需要判断队列有一定性能损耗，所以吞吐量不如非公平高。
公平锁和非公平锁区别在在于writerShouldBlock 、readerShouldBlock 方法实现不同而已。 公平锁实现
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -2274990926593161451L;
final boolean writerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
}
hasQueuedPredecessors： 返回true则说明AQS中存在堵塞线程，只有在出现写锁的时候，才会将获取锁线程放入队列中，所以readerShouldBlock在读锁获取时，会永远返回false。 非公平锁
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -8159625535654395037L;
final boolean writerShouldBlock() {
return false; // writers can always barge
}
final boolean readerShouldBlock() {
// 只有堵塞队列第一个线程为非共享锁时才会返回true
// 当队列前面已经出现写锁了，所有共享锁都不能和写锁竞争，放弃竞争
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
}
从上面代码知道，只有这两个方法返回true，都不能去竞争锁，公平锁的策略非常明显，只有堵塞队列有线程，就会放弃锁竞争。而非公平锁则是在写锁时，无论队列有无线程都会尝试竞争，写锁时只有队列最前面的线程为写锁时，才会放弃竞争，总的来说公平锁和非公平锁逻辑和ReentrantLock 逻辑基本一样。
tryLock
在读锁、写锁的对象中，都存在tryLock 方法，它跟lock方法有“亿点点”不同，虽然他们都是调用了内部Sync方法，但是在获取锁方法上，和上面分析tryAcquire、tryAcquireShared基本一致，唯独缺少了readerShouldBlock、writerShouldBlock使用。使用这个方法获取锁，无论公平锁还非公平锁，获取锁逻辑都一样。无论堵塞队列是否有线程，会直接竞争获取锁，在非公平锁中读锁会让步队列中第一个写锁，写锁优先级会高于读锁。但tryLock不存在，所有锁的竞争的公平的，快速的，可以理解这个方法在获取锁上会有更高的优先级(相比lock)。