在该篇文章中我将开始介绍ReentrantReadWriteLock有关源码分析。
我先简单介绍下有关变量的含义，再分析读锁和写锁的获取和释放过程。
有关变量
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ReadLock -- 控制读锁的有关逻辑
WriteLock -- 控制写锁的有关逻辑
Thread firstReader -- 第一次调用读锁的线程
int firstReaderHoldCount -- 第一次调用读锁的线程的读的次数
HoldCounter cachedHoldCounter -- 用于缓存，记录最后一次获取读锁的线程的读可重入数
ThreadLocalHolderCounter readHolds -- 用一个ThreadLocal记录当前线程持有的读可重入数
static final class HoldCounter {
int count = 0;
// Use id, not reference, to avoid garbage retention
final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}
static final class ThreadLocalHoldCounter
extends ThreadLocal<HoldCounter> {
public HoldCounter initialValue() {
return new HoldCounter();
}
}
读写状态控制
在控制锁逻辑的Sync中，可以定义使用公平锁还是非公平锁。默认是非公平的。
public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
readerLock = new ReadLock(this);
writerLock = new WriteLock(this);
}
其中，ReadLock使用了共享模式，WriteLock使用了独占模式；
同一个AQS实例可以同时使用共享模式和独占模式，WriteLock和ReadLock两个锁维护了同一个同步队列，同步队列中只有一个int类型的state变量来表示当前的同步状态，那内部是如何把两个读写状态分开，并且达到控制线程的目的呢？
实际上就是将state分成两个部分，其中高16位表示读状态，低16位表示写状态。 所以能够表示的最大次数就是2^16 - 1 = 65535次。
那具体如何计算的呢？
static final int SHARED_SHIFT = 16;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
//计算读锁数量
// 就是右移16位，保留了高16位
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
// 就是c和0x0000FFFF这个值做与操作
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }
写锁的获取和释放相对简单些，先介绍下这个。
写锁的获取和释放
写锁的获取
写锁加锁时会调用：
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
// 如果获取写锁失败，则放入到同步等待队列中
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 获取当前的写锁数量，当不为0时，表明已经有线程拿到了写锁
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// 两种情况， 拒绝获取写锁
// 1） w == 0 表明没有线程使用写锁，而c != 0 表明存在读锁
// 2）如果存在写锁但是不是当前线程
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
// 当写锁数量超过最大值2^16 - 1,时，抛出异常
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// 这里不需要CAS，知道这里的，只能是写锁重入
setState(c + acquires);
return true;
}
// 之前没有线程获取读写锁，
// CAS修改state失败，返回，添加到同步队列中
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
在公平锁中：
// 当前线程之前有排队的线程，这时就不能获取写锁
final boolean writerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
在非公平锁中：
// 不需要判断前面是否有等待的线程，可直接参与抢占
final boolean writerShouldBlock() {
return false;
}
写锁的释放
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;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 如果当前线程不是持有写锁的线程
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
// 减去写锁值
int nextc = getState() - releases;
// 写锁数量为0
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
setExclusiveOwnerThread(null);
setState(nextc);
// 当所有的写锁释放完了才会返回true，唤醒后续节点
return free;
}
读锁的获取和释放
读锁是共享锁
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
// 返回值小于0表明没有获取到读锁，
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// 如果存在写锁并且写锁的持有者不是当前线程
// 拒绝尝试获得读锁
// 所以当当前线程持有写锁的时候，是有可能拥有读锁的，这个到后面讲解
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 获取当前的读锁数量
int r = sharedCount(c);
// 具体的readerShuoldBlock逻辑在后面讲解，
// 当能进入该方法，并CAS成功后
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 当前的读锁数量是0，说明当前是第一次读
if (r == 0) {
// 将将当前线程设置为第一次读的线程
firstReader = current;
// 第一次读的线程的读数量
firstReaderHoldCount = 1;
// 支持可重入，当第一次读的线程又进入后
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
// 用于缓存最后一个获取读锁的线程
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
// 如果缓存的不是当前线程，则通过ThreadLocal获取记录当前线程的值，并修改
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);
}
readerShouldBlock在公平锁和非公平锁中的实现方法不一样
在公平锁中：
如果前面有等待的队列的话，返回true,那么就不能直接获取锁
final boolean readerShouldBlock() {
return hasQueuedPredecessors();
}
在非公平锁中：
如果阻塞队列中head的第一个后继节点是写锁的话，则当前线程则不能尝试获取锁
final boolean readerShouldBlock() {
return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
}
// 如果头节点的后驱节点是独占模式，返回true
final boolean apparentlyFirstQueuedIsExclusive() {
Node h, s;
return (h = head) != null &&
(s = h.next) != null &&
!s.isShared() &&
s.thread != null;
}
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
HoldCounter rh = null;
for (;;) {
int c = getState();
// 当存在写锁并且持有者不是当前线程
if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// 如果不存在写锁，或者写锁持有者是当前线程
// 是公平锁时，前面存在等待的队列
// 非公平锁，等待队列的第一个后继节点是写锁
} else if (readerShouldBlock()) {
// 如果是第一次的线程在，则不处理
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
// 如果是其他读的线程，则获取当前线程的读数量
// 如果是0，则从ThreadLOcalMap中删除
// 并拒绝尝试获得读锁
} 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;
}
}
// 读锁超出限制，抛出异常
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
// CAS更新状态
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 这里的逻辑和之前的差不多，就不仔细讲了
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;
}
}
}
当获取失败后会调用doAcquireShared方法。
主要逻辑是先将节点添加到同步等待队列中，然后进入for循环
如果当前节点的前驱节点是头结点，则调用tryAcquireShared尝试获得读锁
具体的逻辑就不讲了，大家可以看看AQS的共享锁机制。
private void doAcquireShared(int arg) {
final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head) {
int r = tryAcquireShared(arg);
if (r >= 0) {
setHeadAndPropagate(node, r);
p.next = null; // help GC
if (interrupted)
selfInterrupt();
failed = false;
return;
}
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
读锁的释放
public void unlock() {
sync.releaseShared(1);
}
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
// 如果要释放的线程是当前线程
if (firstReader == current) {
// 表明当前线程将要没有读锁，则重置为null
if (firstReaderHoldCount == 1)
firstReader = null;
else
firstReaderHoldCount--;
} else {
// 根据ThreadLocal获取当前线程所持有的读锁数量
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
int count = rh.count;
// 当前线程的可重入次数将要没有，则从ThreadLocalMap中删除
if (count <= 1) {
readHolds.remove();
if (count <= 0)
throw unmatchedUnlockException();
}
--rh.count;
}
// CAS重置state,等于0才能执行唤醒后续节点任务
for (;;) {
int c = getState();
// 将去读锁的状态值
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc))
// 读锁和写锁都没有了
return nextc == 0;
}
}
当上述的方法返回true后，会调用doReleaseShared方法。
private void doReleaseShared() {
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}
唤醒当前节点的后续节点，如果后续节点为null,或者后续节点状态大于0，说明被取消，所以从尾节点向前查找，查找最早的不被取消的节点，再进行唤醒
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
实际上在读写锁中还有一个锁降级的机制，具体的就不展开讲了，有兴趣的可以阅读下该文章：
Java并发编程之锁机制之ReentrantReadWriteLock（读写锁）
这种在拥有写锁得到情况下，再获取读锁，随后释放写锁的过程 ，称之为锁降级。
那为什么当线程获取写锁，修改数据完成后，要先获取读锁，而不是直接释放写锁呢？
如果当前线程直接释放写锁，那么这个时候如果有其他线程获取了写锁，并修改了数据，那么对于当前释放的线程来说是无法感知数据变化的。先获取读锁的目的是保证没有其他线程来修改数据。
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