初探 JUC 并发编程：读写锁 ReentrantReadWriteLock 原理（8000 字源码详解）

本文中会涉及到一些前面 ReentrantLock 中学到的内容，先去阅读一下我关于独占锁 ReentrantLock 的源码解析阅读起来会更加清晰。
初探 JUC 并发编程：独占锁 ReentrantLock 底层源码解析

6.4）读写锁 ReentrantReadWriteLock 原理

前面提到的 ReentrantLock 是独占锁，某个时间只有一个线程可以获取这个锁，而实际情况中会出现读多写少的情况，ReentrantLock 无法满足这个需求，所以就有了读写锁 ReentrantReadWriteLock。这个锁采用了读写分离的策略，允许多个线程同时获取读锁。

6.4.1）类图结构

在这里插入图片描述

ReentrantReadWriteLock 的类图结构如图所示，类中维护了一个 ReadLock 和 WriteLock，它们依赖 Sync 实现功能，而 Sync 继承自 AQS，也提供了公平和非公平的实现。

下面来看一下 Sync 中的属性和常用方法：

因为读写锁中维护了读锁和写锁两个状态，但是 AQS 只提供了一个 state；读写锁中巧妙的使用了 state 的高 16 位表示读状态，也就是获取到读锁的次数，使用低十六位表示写的次数。

        static final int SHARED_SHIFT   = 16; // 读锁状态单位值 65536static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);// 读锁的状态单位值 65536static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;// 写锁掩码，15 个 1static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;/** 返回读锁线程数  */static int sharedCount(int c) { // c 一般为 state 的值，将值右移 16 为return c >>> SHARED_SHIFT; }/** 返回写锁的重入次数  */static int exclusiveCount(int c) { // 将值与写锁掩码做与操作return c & EXCLUSIVE_MASK; }

        // 第一个获取到读锁的线程private transient Thread firstReader = null;// 第一个获取到读锁的线程的可重入次数private transient int firstReaderHoldCount;// 记录最后一个获取到读锁的可重入次数private transient HoldCounter cachedHoldCounter;static final class HoldCounter {int count = 0;// 使用 id 而不是引用来避免垃圾保留final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());}

其中 readHolds 是一个 ThreadLocal 变量，存放第一个获取到读线程之外的其他线程读锁的可重入次数，ThreadLocalHoldCounter 继承自 ThreadLocal。
firstReader: 这是一个线程引用，用来记录第一个获得读锁的线程。当锁从无读线程持有（即读锁计数器shareCount为0）变为有读线程持有（即读锁计数器shareCount至少为1）时，这个变量会记录下那个“第一个”读线程。

这样做主要是为了优化后续的读锁获取操作，因为一旦有线程成为了firstReader，它在再次尝试获取读锁时，可以更快地进行，因为它不需要像其他线程那样去更新或检查线程局部的HoldCounter对象。如果这个线程释放了它的所有读锁，导致读锁计数器回到0，那么firstReader会被设置为null。

而 cachedHoldCounter 是存储最后一个获取到锁的线程的 id 和 count，是为了减少在常见情况下（即最近释放锁的线程通常是最近获取锁的线程）的线程本地存储(ThreadLocal)查找开销。

        private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;static final class ThreadLocalHoldCounterextends ThreadLocal<HoldCounter> {public HoldCounter initialValue() {return new HoldCounter();}}

6.4.2）写锁的获取与释放

        ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();

通过上面的代码获取写锁，写锁和上面的 ReentrantLock 锁都是独占可重入锁，所以方法都差不多，调用 lock 方法，可以获取锁：

        public void lock() {sync.acquire(1);}public final void acquire(int arg) {// 调用 sync 中重写的 tryAcquire 方法if (!tryAcquire(arg) &&acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))selfInterrupt();}

其中调用了 WriteLock 中重写的 tryAcquire 方法：

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();int w = exclusiveCount(c); // 获取写锁的重入次数// 1）读锁或者写锁被占有if (c != 0) {// 1）写锁的重入次数为 0，也就是被读锁占有的情况，如果读锁占有，则 w 不为 0// 2）当前线程不是持有写锁的线程if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())return false;// 1）越界的情况// 2）如果能走到这里，说明锁被当前线程持有if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)throw new Error("Maximum lock count exceeded");// 重入次数加一setState(c + acquires);return true;}// 这个 writerShouldBlock() 方法是 ReentrantReadWriteLock 中的一个抽象方法，// 用于确定当前线程在尝试获取写锁时是否应该被阻塞，// 具体是因为什么原因阻塞取决于锁的实现和其策略，如果是非公平锁不需要阻塞// 非公平锁有阻塞相关的逻辑if (writerShouldBlock() ||!compareAndSetState(c, c + acquires))return false;setExclusiveOwnerThread(current);return true;

上面的方法是写锁中实现的 tryAcquire 方法，方法的执行流程是这样的：首先回去判断状态值是否不等于 0，如果不等于零则说明读锁或者写锁被占有（读锁和写锁不能同时起作用），然后去判断写锁的重入次数是否为 0，如果为 0 则说明当前锁是读锁，无法获取写锁；如果当前锁是写锁的话，去判断锁是否被线程持有，如果被持有，对重入次数做一个自增；如果当前锁没有被占有，则将修改低 16 位的 state 来表明当前锁是写锁状态，且写锁被占有。

和 ReentrantLock 相同，方法中也提供了 lockInterruptibly() 方法、 tryLock() 方法、 tryLock(long timeout, TimeUnit unit) 作用和 ReentarntLock 完全相同，这里不赘述了。

写锁的释放方法是委托给 Sync 类来做的：

    public void unlock() {sync.release(1);}public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) {Node h = head;if (h != null && h.waitStatus != 0)unparkSuccessor(h);return true;}return false;}

下面来看核心代码 tryRelease 的实现：

        protected final boolean tryRelease(int releases) {// 1）锁未被当前线程持有if (!isHeldExclusively())throw new IllegalMonitorStateException();int nextc = getState() - releases; // 下次修改的值boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; // 如果为 0 则完全释放锁if (free)setExclusiveOwnerThread(null); // 清除持有锁的线程setState(nextc);return free; // 锁是否被线程持有}

6.4.3）读锁的获取与释放

如果当前没有其他线程持有写锁，则当前线程可以获取读锁，AQS 的状态值 state 的高 16 位会增加 1，如果有线程持有写锁的话，获取读锁的线程会被阻塞。

先来看读锁的 lock 方法，同样是委托给 sync 进行的：

    public void lock() {sync.acquireShared(1);}public final void acquireShared(int arg) {if (tryAcquireShared(arg) < 0)doAcquireShared(arg);}

接下来看一下在读锁中实现的核心代码， tryAcquireShared()

        protected final int tryAcquireShared(int unused) {Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();// 1）写锁被占有// 2）写锁不被当前线程持有if (exclusiveCount(c) != 0 &&getExclusiveOwnerThread() != current)return -1;// 获取高 16 位的内容int r = sharedCount(c);// 判断获取读锁的时候是否需要被阻塞// 1）本类中的逻辑为判断 AQS 队列中的第一个元素是否在获取写锁// 2）共享锁的获取次数没有达到上限// 3）当前线程修改 sharedCount 成功// 多个线程调用该方法的时候只要一个线程会成功（因为进行 CAS 操作），// 未成功的线程会进入 fullTryAcquireShared 方法if (!readerShouldBlock() &&r < MAX_COUNT &&compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {// 1）没有线程获取到读锁if (r == 0) {firstReader = current;firstReaderHoldCount = 1;// 1）当前线程是第一个获取到读锁的线程} else if (firstReader == current) {firstReaderHoldCount++;} else {HoldCounter rh = cachedHoldCounter; // 最后一个获取到读锁的线程// 1）最后一个获取到读锁的线程为 null// 2）最后一个获取到锁的线程不是当前线程if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))// 将 cachedHoldCounter 设置为当前线程cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();// 1）最后一个获取到锁的线程为当前线程else if (rh.count == 0)// 确保 readHolds 被初始化readHolds.set(rh);rh.count++;}return 1;}return fullTryAcquireShared(current);}

上面的代码中首先检查是否有其他线程获取到了写锁，如果有则直接返回 -1，之后会将当前线程放到 AQS 阻塞队列。如果当前获取读锁的线程持有写锁，则可以直接获取读锁，但注意释放锁的时候将两个锁都释放掉。

本类中的 readerShouldBlock() 方法是这样的：

	  // 避免重复获取读锁导致写锁无法被获取的情况final boolean readerShouldBlock() {return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();}// 当前 AQS 队列中收个节点请求的是写锁final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {Node h, s;return (h = head) != null &&(s = h.next)  != null &&!s.isShared()         &&s.thread != null;}

当多次获取读锁可能会导致写锁持续被阻塞，所以当发现 AQS 队列中首个节点请求的是写锁的时候，获取读锁的线程暂时阻塞给写锁让步。

因为多个线程只有一个会获取写锁，剩余的情况在 tryAcquireShared() 中并没有被处理

  1. 有线程获取写锁的时候，被阻塞
  2. CAS 操作失败

这时候就调用 fullTryAcquireShared，这个方法会循环自旋的获取读锁：

        final int fullTryAcquireShared(Thread current) {HoldCounter rh = null;for (;;) {int c = getState();// 1）写锁被占有if (exclusiveCount(c) != 0) {// 1）写锁不被当前线程持有if (getExclusiveOwnerThread() != current)return -1;// 1）当前线程应该被阻塞} else if (readerShouldBlock()) {if (firstReader == current) {// assert firstReaderHoldCount > 0;} else {if (rh == null) {rh = cachedHoldCounter;// 1）最后一个获取读锁的线程为空// 或者// 2）最后一个获取到锁的线程未被设置为本线程if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {// 判断当前线程是否获取过锁rh = readHolds.get();if (rh.count == 0)// 未获取过的话，清除 readHoldsreadHolds.remove();}}// 当前线程被阻塞了if (rh.count == 0)return -1;}}// 执行到这里说明写锁没有被占有，且当前线程没有被阻塞，可以尝试获取锁if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)// 越界的情况throw new Error("Maximum lock count exceeded");// 使用 CAS 操作修改 state，给获取读锁的线程数加一if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {// 如果当前锁没有被线程占用if (sharedCount(c) == 0) {firstReader = current;firstReaderHoldCount = 1;// 第一个持有锁的线程为当前线程} else if (firstReader == current) {firstReaderHoldCount++;} else {if (rh == null)rh = cachedHoldCounter;// cachedHoldCounter 为空，或不为当前线程if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))rh = readHolds.get(); // 设置 rhelse if (rh.count == 0)readHolds.set(rh);rh.count++; // 自增cachedHoldCounter = rh; // cache for release}return 1;}}}

上面的方法中，先去判断写锁有没有被占有，如果被占有则直接返回 -1。

然后去判断当前线程是否应该被阻塞，也就是 AQS 队列的队头是不是请求的写锁，然后去判断最后一个获取到锁的线程是不是本线程，如果不是的话，检查线程中的 readHolds 是否为 0（如果为 0 则说明没有获取到锁，如果获取到了锁这里应该置为 1），因为 get 方法会向线程的 ThreadLocal 中添加对象，所以在确定它没有得到锁之后清楚 ThreadLocal 中的内容。

如果上面的代码均通过，说明写锁没有被占有，且当前线程没有被阻塞，可以尝试获取锁，其中获取锁的方法和上面相同。

同样的，读锁中也存在 tryLock 等方法，这里不做过多赘述。

然后来看释放锁的方法，这里的释放锁也是委托给 Sync 类进行的：

    public void unlock() {sync.releaseShared(1);}public final boolean releaseShared(int arg) {if (tryReleaseShared(arg)) {doReleaseShared();return true;}return false;}

其中核心方法是 Sync 的实现类中实现的 tryReleaseShared 方法：

        protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {Thread current = Thread.currentThread();// 1）当前线程是第一个获取到读锁的线程if (firstReader == current) {if (firstReaderHoldCount == 1)firstReader = null;elsefirstReaderHoldCount--;} else {HoldCounter rh = cachedHoldCounter;// 1）当前线程不是最后一个获取到锁的线程if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))rh = readHolds.get();// 检查重入次数int count = rh.count;// 1）锁已经释放完成，可以清除了if (count <= 1) {readHolds.remove();// 如果是 0 表示未获取到锁if (count <= 0)throw unmatchedUnlockException();}--rh.count;}// 减少一次重入次数for (;;) {int c = getState();int nextc = c - SHARED_UNIT;if (compareAndSetState(c, nextc))return nextc == 0;}}

方法中先对线程是否为 firstReader 或者 cachedHoldCounter 做了判断，对其进行特殊的处理，然后检查重入的次数，如果次数小于等于一，则本次释放就将线程持有的读锁全部释放完成，此时删除线程 ThreadLocal 中的内容；最后循环减少可重入次数。

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