《Java并发编程的艺术》-Java并发包中的读写锁及其实现分析

作者：魏鹏  本文是《Java并发编程的艺术》的样章

1. 前言

在Java并发包中常用的锁（如：ReentrantLock），基本上都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。

除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个共享的数据结构用作缓存，它大部分时间提供读服务（例如：查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。

在没有读写锁支持的（Java 5 之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键字进行同步），这样做的目的是使读操作都能读取到正确的数据，而不会出现脏读。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，而写操作时获取写锁即可，当写锁被获取到时，后续（非当前写操作线程）的读写操作都会被阻塞，写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式而言，变得简单明了。

一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁要好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock，它提供的特性如表1所示。

表1. ReentrantReadWriteLock的特性

2. 读写锁的接口与示例

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()和writeLock()方法，而其实现—ReentrantReadWriteLock，除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法，这些方法以及描述如表2所示。

表2. ReentrantReadWriteLock展示内部工作状态的方法

接下来通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，示例代码如代码清单1所示。

代码清单1. Cache.java

public class Cache {
	static Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();
	static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
	static Lock r = rwl.readLock();
	static Lock w = rwl.writeLock();
	// 获取一个key对应的value
	public static final Object get(String key) {
		r.lock();
		try {
			return map.get(key);
		} finally {
			r.unlock();
		}
	}
	// 设置key对应的value，并返回旧有的value
	public static final Object put(String key, Object value) {
		w.lock();
		try {
			return map.put(key, value);
		} finally {
			w.unlock();
		}
	}
	// 清空所有的内容
	public static final void clear() {
		w.lock();
		try {
			map.clear();
		} finally {
			w.unlock();
		}
	}
}

上述示例中，Cache组合了一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作put(String key, Object value)和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当写锁被获取后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。

3. 读写锁的实现分析

接下来将分析ReentrantReadWriteLock的实现，主要包括：读写状态的设计、写锁的获取与释放、读锁的获取与释放以及锁降级（以下没有特别说明读写锁均可认为是ReentrantReadWriteLock）。

3.1 读写状态的设计

读写锁同样依赖自定义同步器来实现同步功能，而读写状态就是其同步器的同步状态。回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而读写锁的自定义同步器需要在同步状态（一个整型变量）上维护多个读线程和一个写线程的状态，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。

如果在一个整型变量上维护多种状态，就一定需要“按位切割使用”这个变量，读写锁是将变量切分成了两个部分，高16位表示读，低16位表示写，划分方式如图1所示。

图1. 读写锁状态的划分方式

        如图1所示，当前同步状态表示一个线程已经获取了写锁，且重进入了两次，同时也连续获取了两次读锁。读写锁是如何迅速的确定读和写各自的状态呢？答案是通过位运算。假设当前同步状态值为S，写状态等于 S & 0x0000FFFF（将高16位全部抹去），读状态等于 S >>> 16（无符号补0右移16位）。当写状态增加1时，等于S + 1，当读状态增加1时，等于S + (1 << 16)，也就是S + 0x00010000。

根据状态的划分能得出一个推论：S不等于0时，当写状态(S & 0x0000FFFF)等于0时，则读状态(S >>> 16)大于0，即读锁已被获取。

3.2 写锁的获取与释放

写锁是一个支持重进入的排它锁。如果当前线程已经获取了写锁，则增加写状态。如果当前线程在获取写锁时，读锁已经被获取（读状态不为0）或者该线程不是已经获取写锁的线程，则当前线程进入等待状态，获取写锁的代码如代码清单2所示。

代码清单2. ReentrantReadWriteLock的tryAcquire方法

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
	Thread current = Thread.currentThread();
	int c = getState();
	int w = exclusiveCount(c);
	if (c != 0) {
		// 存在读锁或者当前获取线程不是已经获取写锁的线程
		if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
			return false;
		if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
			throw new Error("Maximum lock count exceeded");
		setState(c + acquires);
		return true;
	}
	if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) {
		return false;
	}
	setExclusiveOwnerThread(current);
	return true;
}

该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的线程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取，原因在于：读写锁要确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。因此只有等待其他读线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程所获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。

写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，当写状态为0时表示写锁已被释放，从而等待的读写线程能够继续访问读写锁，同时前次写线程的修改对后续读写线程可见。

3.3 读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取，在没有其他写线程访问（或者写状态为0）时，读锁总会成功的被获取，而所做的也只是（线程安全的）增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁，则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时，写锁已被其他线程获取，则进入等待状态。获取读锁的实现从Java 5到Java 6变得复杂许多，主要原因是新增了一些功能，比如：getReadHoldCount()方法，返回当前线程获取读锁的次数。读状态是所有线程获取读锁次数的总和，而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中，由线程自身维护，这使获取读锁的实现变得复杂。因此，这里将获取读锁的代码做了删减，保留必要的部分，代码如代码清单3所示。

代码清单3. ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
	for (;;) {
		int c = getState();
		int nextc = c + (1 << 16);
		if (nextc < c)
			throw new Error("Maximum lock count exceeded");
		if (exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread())
			return -1;
		if (compareAndSetState(c, nextc))
			return 1;
	}
}

在tryAcquireShared(int unused)方法中，如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程(线程安全，依靠CAS保证)增加读状态，成功获取读锁。

读锁的每次释放均（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）减少读状态，减少的值是(1 << 16)。

3.4 锁降级

锁降级指的是写锁降级成为读锁。如果当前线程拥有写锁，然后将其释放，最后再获取读锁，这种分段完成的过程不能称之为锁降级。锁降级是指把持住（当前拥有的）写锁，再获取到读锁，随后释放（先前拥有的）写锁的过程。

接下来看一个锁降级的示例：因为数据不常变化，所以多个线程可以并发的进行数据处理，当数据变更后，当前线程如果感知到数据变化，则进行数据的准备工作，同时其他处理线程被阻塞，直到当前线程完成数据的准备工作，示例代码如代码清单4所示。

代码清单4. processData方法

public void processData() {
	readLock.lock();
	if (!update) {
		// 必须先释放读锁
		readLock.unlock();
		// 锁降级从写锁获取到开始
		writeLock.lock();
		try {
			if (!update) {
				// 准备数据的流程（略）
				update = true;
			}
			readLock.lock();
		} finally {
			writeLock.unlock();
		}
		// 锁降级完成，写锁降级为读锁
	}
	try {
		// 使用数据的流程（略）
	} finally {
		readLock.unlock();
	}
}

上述示例中，当数据发生变更后，update变量（布尔类型且volatile修饰）被设置为false，此时所有访问processData()方法的线程都能够感知到变化，但只有一个线程能够获取到写锁，而其他线程会被阻塞在读锁和写锁的lock()方法上。当前程获取写锁完成数据准备之后，再获取读锁，随后释放写锁，完成锁降级。

锁降级中读锁的获取是否必要呢？答案是必要的。主要原因是保证数据的可见性，如果当前线程不获取读锁而是直接释放写锁，假设此刻另一个线程（记作线程T）获取了写锁并修改了数据，则当前线程无法感知线程T的数据更新。如果当前线程获取读锁，即遵循锁降级的步骤，则线程T将会被阻塞，直到当前线程使用数据并释放读锁之后，线程T才能获取写锁进行数据更新。

RentrantReadWriteLock不支持锁升级（把持读锁、获取写锁，最后释放读锁的过程）。原因也是保证数据可见性，如果读锁已被多个线程获取，其中任意线程成功获取了写锁并更新了数据，则其更新对其他获取到读锁的线程不可见。