原创

Java多线程进阶(十)—— J.U.C之locks框架:基于AQS的读写锁(5)

一、本章概述

AQS系列的前四个章节,已经分析了AQS的原理,本章将会从ReentrantReadWriteLock出发,给出其内部利用AQS框架的实现原理。

ReentrantReadWriteLock(以下简称RRW),也就是读写锁,是一个比较特殊的同步器,特殊之处在于其对同步状态State的定义与ReentrantLock、CountDownLatch都很不同。通过RRW的分析,我们可以更深刻的了解AQS框架的设计思想,以及对什么是资源?如何定义资源是否可以被访问?这一命题有更深刻的理解。

关于ReentrantReadWriteLock的使用和说明,读者可以参考:Java多线程进阶(四)—— juc-locks锁框架:ReentrantReadWriteLock

二、本章示例

和之前的章节一样,本章也通过示例来分析RRW的源码。

假设现在有4个线程,ThreadA、ThreadB、ThreadC、ThreadD。
ThreadA、ThreadB、ThreadD为读线程,ThreadC为写线程:

初始时,构造RRM对象:
private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock r = rwl.readLock();
private final Lock w = rwl.writeLock();

//ThreadA调用读锁的lock()方法

//ThreadB调用读锁的lock()方法

//ThreadC调用写锁的lock()方法

//ThreadD调用读锁的lock()方法

三、RRW的公平策略原理

1. RRW对象的创建

和ReentrantLock类似,ReentrantReadWriteLock的构造器可以选择公平/非公平策略(默认为非公平策略),RRW内部的FairSyncNonfairSync是AQS的两个子类,分别代表了实现公平策略和非公平策略的同步器:
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ReentrantReadWriteLock提供了方法,分别获取读锁/写锁:
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ReentrantReadWriteLock.ReadLockReentrantReadWriteLock.WriteLock其实就是两个实现了Lock接口的内部类:
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2. ThreadA调用读锁的lock()方法

读锁其实是一种共享锁,实现了AQS的共享功能API,可以看到读锁的内部就是调用了AQS的acquireShared方法,该方法前面几章我们已经见过太多次了:
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关键来看下ReentrantReadWriteLock是如何实现tryAcquireShared方法的:
读锁获取成功的条件如下:

  1. 写锁没有被其它线程占用(可被当前线程占用,这种情况属于锁降级)
  2. 等待队列中的队首没有其它线程(公平策略)
  3. 读锁重入次数没有达到最大值
  4. CAS操作修改同步状态值State成功

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如果CAS操作失败,会调用fullTryAcquireShared方法,自旋修改State值:
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ThreadA调用完lock方法后,等待队列结构如下:



此时:
写锁数量:0
读锁数量:1

3. ThreadB调用读锁的lock()方法

由于读锁是共享锁,且此时写锁未被占用,所以此时ThreadB也可以拿到读锁:
ThreadB调用完lock方法后,等待队列结构如下:



此时:
写锁数量:0
读锁数量:2

4. ThreadC调用写锁的lock()方法

写锁其实是一种独占锁,实现了AQS的独占功能API,可以看到写锁的内部就是调用了AQS的acquire方法,该方法前面几章我们已经见过太多次了:
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关键来看下ReentrantReadWriteLock是如何实现tryAcquire方法的,并没有什么特别,就是区分了两种情况:

  1. 当前线程已经持有写锁
  2. 写锁未被占用

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ThreadC调用完lock方法后,由于存在使用中的读锁,所以会调用acquireQueued并被加入等待队列,这个过程就是独占锁的请求过程(AQS[二]),等待队列结构如下:


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此时:
写锁数量:0
读锁数量:2

5. ThreadD调用读锁的lock()方法

这个过程和ThreadA和ThreadB几乎一样,读锁是共享锁,可以重复获取,但是有一点区别:
由于等待队列中已经有其它线程(ThreadC)排在当前线程前,所以readerShouldblock方法会返回true,这是公平策略的含义。

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虽然获取失败了,但是后续调用fullTryAcquireShared方法,自旋修改State值,正常情况下最终修改成功,代表获取到读锁:
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最终等待队列结构如下:


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此时:
写锁数量:0
读锁数量:3

6. ThreadA释放读锁

内部就是调用了AQS的releaseShared方法,该方法前面几章我们已经见过太多次了:
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关键来看下ReentrantReadWriteLock是如何实现tryReleaseShared方法的,没什么特别的,就是将读锁数量减1:
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注意:
HoldCounter是个内部类,通过与ThreadLocal结合使用保存每个线程的持有读锁数量,其实是一种优化手段。
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此时:
写锁数量:0
读锁数量:2

7. ThreadB释放读锁

和ThreadA的释放完全一样,此时:

写锁数量:0
读锁数量:1

8. ThreadD释放读锁

和ThreadA的释放几乎一样,不同的是此时读锁数量为0,tryReleaseShared方法返回true:
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此时:
写锁数量:0
读锁数量:0


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因此,会继续调用doReleaseShared方法,doReleaseShared方法之前在讲AQS[四]时已经阐述过了,就是一个自旋操作:


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该操作会将ThreadC唤醒:


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9. ThreadC从原阻塞处继续向下执行

ThreadC从原阻塞处被唤醒后,进入下一次自旋操作,然后调用tryAcquire方法获取写锁成功,并从队列中移除:


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等待队列最终状态:


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此时:
写锁数量:1
读锁数量:0

10. ThreadC释放写锁

其实就是独占锁的释放,在AQS[二]中,已经阐述过了,不再赘述。

补充一点:如果头结点后面还有等待的共享结点,会以传播的方式依次唤醒,这个过程就是共享结点的唤醒过程,并无区别。

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四、总结

本章通过ReentrantReadWriteLock的公平策略,分析了RRW的源码,非公平策略分析方法也是一样的,非公平和公平的最大区别在于写锁的获取上:
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在非公平策略中,写锁的获取永远不需要排队,这其实时性能优化的考虑,因为大多数情况写锁涉及的操作时间耗时要远大于读锁,频次远低于读锁,这样可以防止写线程一直处于饥饿状态。

关于ReentrantReadWriteLock,最后有两点规律需要注意:

  1. 当RRW的等待队列队首结点是共享结点,说明当前写锁被占用,当写锁释放时,会以传播的方式唤醒头结点之后紧邻的各个共享结点。
  2. 当RRW的等待队列队首结点是独占结点,说明当前读锁被使用,当读锁释放归零后,会唤醒队首的独占结点。

ReentrantReadWriteLock的特殊之处其实就是用一个int值表示两种不同的状态(低16位表示写锁的重入次数,高16位表示读锁的使用次数),并通过两个内部类同时实现了AQS的两套API,核心部分与共享/独占锁并无什么区别。

正文到此结束
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