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这篇文章主要介绍了Java ReentrantReadWriteLock读写锁如何实现的相关知识,内容详细易懂,操作简单快捷,具有一定借鉴价值,相信大家阅读完这篇Java ReentrantReadWriteLock读写锁如何实现文章都会有所收获,下面我们一起来看看吧。
ReentrantReadWriteLock
读写锁是使用AQS的集大成者,用了独占模式和共享模式。
上图是ReentrantReadWriteLock
读写锁的类结构图:
实现了ReadWriteLock
接口,该接口提供了获取读锁和写锁的API。
ReentrantReadWriteLock
读写锁内部的成员变量readLock是读锁,指向内部类ReadLock。
ReentrantReadWriteLock
读写锁内部的成员变量writeLock是写锁,指向内部类WriteLock。
ReentrantReadWriteLock
读写锁内部的成员变量sync是继承AQS的同步器,他有两个子类FairSync
公平同步器和NoFairSync
非公平同步器,读写锁内部也有一个sync,他们使用的是同一个sync。
读写锁用的同一个sync同步器,那么他们共享同一个state, 这样不会混淆吗?
不会,ReentrantReadWriteLock
读写锁使用了AQS中state值得低16位表示写锁得计数,用高16位表示读锁得计数,这样就可以使用同一个AQS同时管理读锁和写锁。
1.ReentrantReadWriteLock类重要成员变量
// 读锁 private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock; // 写锁 private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock; // 同步器 final Sync sync;
2.ReentrantReadWriteLock构造方法
//默认是非公平锁,可以指定参数创建公平锁 public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) { // true 为公平锁 sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); // 这两个 lock 共享同一个 sync 实例,都是由 ReentrantReadWriteLock 的 sync 提供同步实现 readerLock = new ReadLock(this); writerLock = new WriteLock(this); }
3.Sync类重要成员变量
// 用来移位 static final int SHARED_SHIFT = 16; // 高16位的1 static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); // 65535,16个1,代表写锁的最大重入次数 static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 低16位掩码:0b 1111 1111 1111 1111,用来获取写锁重入的次数 static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; // 获取读写锁的读锁分配的总次数 static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; } // 写锁(独占)锁的重入次数 static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
设计一个加锁场景,t1线程加写锁,t2线程加读锁,我们看下它们整个加锁得流程。
1.t1 加写锁w.lock()
成功,占了 state 的低 16 位。
这里得state分为两部分0_1
,0表示高16位的值,1表示低16位的值。
AQS当前占用线程exclusiveOwnerThread
属性指向t1线程。
2.t2线程执行加读锁 r.lock()
,尝试获取锁,发现已经被写锁占据了,加锁失败。
3.t2线程被封装成一个共享模式Node.SHARED的节点,加入到AQS的队列中。
4.在阻塞前,t2线程发现自己是队列中的老二,会尝试再次获取读锁,因为t1没有释放,它会失败,然后它会把队列的前驱节点的状态改为-1,然后阻塞自身,也就是t2线程。
上面中黄色三角形就是等待状态的值,前驱节点变成-1
上面中的灰色表示节点所在的线程阻塞了
5.后面如过有其他线程如t3,t4加读锁或者写锁,由于t1线程没有释放锁,会变成下面的状态。
上面是整个解锁的流程,下面深入源码验证这个流程。
1.写锁加锁源码
WriteLock类的lock()方法是加写锁的入口方法。
static final class NonfairSync extends Sync { // ... 省略无关代码 // 外部类 WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处 public void lock() { sync.acquire(1); } // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处 public final void acquire(int arg) { if ( // 尝试获得写锁失败 !tryAcquire(arg) && // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式 // 进入 AQS 队列阻塞 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) ) { selfInterrupt(); } } protected final boolean tryAcquire(int acquires) { // 获取当前线程 Thread current = Thread.currentThread(); //获得锁的状态 int c = getState(); // 获得低 16 位, 代表写锁的 state 计数 int w = exclusiveCount(c); // c不等于0表示加了读锁或者写锁 if (c != 0) { if ( // c != 0 and w == 0 表示有读锁返回错误,读锁不支持锁升级, 或者 w == 0 || // w != 0 说明有写锁,写锁的拥有者不是自己,获取失败 current != getExclusiveOwnerThread() ) { // 获得锁失败 return false; } // 写锁计数超过低 16 位最大数量, 报异常 if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 写锁重入, 获得锁成功,没有并发,所以不使用 CAS setState(c + acquires); return true; } if ( // c == 0,说明没有任何锁,判断写锁是否该阻塞,是 false 就尝试获取锁,失败返回 false writerShouldBlock() || // 尝试更改计数失败 !compareAndSetState(c, c + acquires) ) { // 获得锁失败 return false; } // 获得锁成功,设置锁的持有线程为当前线程 setExclusiveOwnerThread(current); return true; } // 非公平锁 writerShouldBlock 总是返回 false, 无需阻塞 final boolean writerShouldBlock() { return false; } // 公平锁会检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争 final boolean writerShouldBlock() { return hasQueuedPredecessors(); } }
tryAcquire()
方法是模板方法,由子类自定义实现获取锁的逻辑。
线程如果获取写锁失败的话,通过acquireQueued()
方法封装成独占Node加入到AQS队列中。
2.读锁加锁源码
ReadLock
类的lock()
方法是加读锁的入口方法,调用tryAcquireShared()
方法尝试获取读锁,返回负数,失败,加入到队列中。
// 加读锁的方法入口 public void lock() { sync.acquireShared(1); } public final void acquireShared(int arg) { // tryAcquireShared 返回负数, 表示获取读锁失败,加入到队列中 if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg); }
tryAcquireShared()
方法是一个模板方法,AQS类中定义语义,子类实现,如果返回1,表示获取锁成功,还有剩余资源,返回0表示获取成功,没有剩余资源,返回-1表示失败。
// 尝试以共享模式获取,返回1表示获取锁成功,还有剩余资源,返回0表示获取成功,没有剩余资源,返回-1,表示失败 protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // exclusiveCount(c) 代表低 16 位, 写锁的 state,成立说明有线程持有写锁 // 写锁的持有者不是当前线程,则获取读锁失败,【写锁允许降级】 if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 高 16 位,代表读锁的 state,共享锁分配出去的总次数 int r = sharedCount(c); // 读锁是否应该阻塞 if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 尝试增加读锁计数 // 加锁成功 // 加锁之前读锁为 0,说明当前线程是第一个读锁线程 if (r == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 第一个读锁线程是自己就发生了读锁重入 } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { // cachedHoldCounter 设置为当前线程的 holdCounter 对象,即最后一个获取读锁的线程 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; // 说明还没设置 rh if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 获取当前线程的锁重入的对象,赋值给 cachedHoldCounter cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); // 还没重入 else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 重入 + 1 rh.count++; } // 读锁加锁成功 return 1; } // 逻辑到这 应该阻塞,或者 cas 加锁失败 // 会不断尝试 for (;;) 获取读锁, 执行过程中无阻塞 return fullTryAcquireShared(current); } // 非公平锁 readerShouldBlock 偏向写锁一些,看 AQS 阻塞队列中第一个节点是否是写锁,是则阻塞,反之不阻塞 // 防止一直有读锁线程,导致写锁线程饥饿 // true 则该阻塞, false 则不阻塞 final boolean readerShouldBlock() { return apparentlyFirstQueuedIsExclusive(); } // 下面是公平锁的readerShouldBlock // 公平锁会检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有(false)才去竞争 final boolean readerShouldBlock() { return hasQueuedPredecessors(); }
fullTryAcquireShared()
方法是通过自旋的方式不断获取读锁,因为由于前面的readerShouldBlock
返回false或者cas失败,导致没有获取到锁,需要不断重试。
final int fullTryAcquireShared(Thread current) { // 当前读锁线程持有的读锁次数对象 HoldCounter rh = null; for (;;) { int c = getState(); // 说明有线程持有写锁 if (exclusiveCount(c) != 0) { // 写锁不是自己则获取锁失败 if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; } else if (readerShouldBlock()) { // 条件成立说明当前线程是 firstReader,当前锁是读忙碌状态,而且当前线程也是读锁重入 if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; } else { if (rh == null) { // 最后一个读锁的 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; // 说明当前线程也不是最后一个读锁 if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) { // 获取当前线程的 HoldCounter rh = readHolds.get(); // 条件成立说明 HoldCounter 对象是上一步代码新建的 // 当前线程不是锁重入,在 readerShouldBlock() 返回 true 时需要去排队 if (rh.count == 0) // 防止内存泄漏 readHolds.remove(); } } if (rh.count == 0) return -1; } } // 越界判断 if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 读锁加锁,条件内的逻辑与 tryAcquireShared 相同 if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { 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; } } }
doAcquireShared()
是在获取读锁失败的时候加入AQS队列的逻辑。
private void doAcquireShared(int arg) { // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为共享模式 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { // 获取前驱节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果前驱节点就头节点就去尝试获取锁 if (p == head) { // 再一次尝试获取读锁 int r = tryAcquireShared(arg); // r >= 0 表示获取成功 if (r >= 0) { //【这里会设置自己为头节点,唤醒相连的后序的共享节点】 setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } // 是否在获取读锁失败时阻塞 park 当前线程 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }
setHeadAndPropagate()
方法是在后续读锁被唤醒后,抢到锁要处理的逻辑,包括修改队列的头结点,以及唤醒队列中的下一个共享节点。
private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { Node h = head; // 设置自己为 head 节点 setHead(node); // propagate 表示有共享资源(例如共享读锁或信号量),为 0 就没有资源 if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 || (h = head) == null || h.waitStatus < 0) { // 获取下一个节点 Node s = node.next; // 如果当前是最后一个节点,或者下一个节点是【等待共享读锁的节点】 if (s == null || s.isShared()) // 唤醒后继节点 doReleaseShared(); } }
由于上面t1线程加的写锁,所有其他的线程都被阻塞了,只有在t1线程解锁以后,其他线程才能被唤醒,我们现在看下t1线程被唤醒了,会发生什么?
1.t1线程执行解锁w.unlock()
成功,修改AQS中的state。
这里的state变为了0_0。
AQS当前占用线程exclusiveOwnerThread属性变为null。
2.t1线程唤醒队列中等待的老二, 为什么不是老大,因为老大是一个空节点,不会设置任何的线程。t2线程被唤醒后,抢锁成功,修改state中高16位为1。
老二的线程节点变为蓝色节点
AQS中的state变为1_0。
3.t2线程恢复运行,设置原来的老二节点为头节点
4.t2线程要做的事情还没结束呢,因为是共享模式,它现在释放了,就此时也唤醒队列中的下一个共享节点。
5.t3线程恢复去竞争读锁成功,这时state的高位+1,变成2。
6.这时候t3线程所在的Node设置为头节点,同时发现对列的下一个节点不是共享节点,而是独占节点,就不会唤醒后面的节点了。
7.之后t2线程和t3线程进入尾声,执行r.unlock
操作,state的计数减一,直到变为0。
8.最后写锁线程t4被唤醒,去抢占锁成功,整个流程结束。
上面是整个解锁的流程,下面深入源码验证这个流程。
1.写锁释放流程
WriteLock
类的unlock()
方法是入口方法,调用tryRelease()方法释放锁,如果成功,调用unparkSuccessor()
方法唤醒线程。
public void unlock() { // 释放锁 sync.release(1); } public final boolean release(int arg) { // 尝试释放锁 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; // 头节点不为空并且不是等待状态不是 0,唤醒后继的非取消节点 if (h != null && h.waitStatus != 0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
tryRelease()
方法是AQS提供的模板方法,返回true表示成功,false失败,由自定义同步器实现。
protected final boolean tryRelease(int releases) { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; // 因为可重入的原因, 写锁计数为 0, 才算释放成功 boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; if (free) // 设置占用线程为null setExclusiveOwnerThread(null); setState(nextc); return free; }
2.读锁释放流程
ReadLock
类的unlock()
方法是释放共享锁的入口方法。
public void unlock() { sync.releaseShared(1); } public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false; }
tryReleaseShared()
方法是由AQS提供的模板方法,由自定义同步器实现。
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { //自选 for (;;) { int c = getState(); int nextc = c - SHARED_UNIT; // 读锁的计数不会影响其它获取读锁线程, 但会影响其它获取写锁线程,计数为 0 才是真正释放 if (compareAndSetState(c, nextc)) // 返回是否已经完全释放了 return nextc == 0; } }
调用doReleaseShared()
方法唤醒等待的线程,这个方法调用的地方有两处,还记得吗,一个这是里的解锁,还有一个是前面加共享锁阻塞的地方,唤醒后获取锁成功,也会调用doReleaseShared()
方法。
private void doReleaseShared() { // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE for (;;) { Node h = head; if (h != null && h != tail) { int ws = h.waitStatus; // SIGNAL 唤醒后继 if (ws == Node.SIGNAL) { // 因为读锁共享,如果其它线程也在释放读锁,那么需要将 waitStatus 先改为 0 // 防止 unparkSuccessor 被多次执行 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // 唤醒后继节点 unparkSuccessor(h); } // 如果已经是 0 了,改为 -3,用来解决传播性 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; } // 条件不成立说明被唤醒的节点非常积极,直接将自己设置为了新的 head, // 此时唤醒它的节点(前驱)执行 h == head 不成立,所以不会跳出循环,会继续唤醒新的 head 节点的后继节点 if (h == head) break; } }
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