Java多线程系列--“JUC锁”08之共享锁和ReentrantReadWriteLock

添加时间：2016-12-20 17:17:30 文章作者：济南软件开发浏览次数：

概要

Java的JUC(java.util.concurrent)包中的锁包括"独占锁"和"共享锁"。在“Java多线程系列--“JUC锁”02之互斥锁ReentrantLock ”中，对Java的独占锁进行了说明。本章对Java的“共享锁”进行介绍，JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等；本章会以ReentrantReadWriteLock为蓝本对共享锁进行说明。内容包括：

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表

参考代码(基于JDK1.7.0_40)

获取共享锁

释放共享锁

公平共享锁和非公平共享锁

ReentrantReadWriteLock示例

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍

ReadWriteLock，顾名思义，是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”，一个用于读取操作，另一个用于写入操作。

“读取锁”用于只读操作，它是“共享锁”，能同时被多个线程获取。

“写入锁”用于写入操作，它是“独占锁”，写入锁只能被一个线程锁获取。

注意：不能同时存在读取锁和写入锁！

ReadWriteLock是一个接口。ReentrantReadWriteLock是它的实现类，ReentrantReadWriteLock包括子类ReadLock和WriteLock。

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表

ReadWriteLock函数列表

// 返回用于读取操作的锁。

Lock readLock()

// 返回用于写入操作的锁。

Lock writeLock()

ReentrantReadWriteLock函数列表

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// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock，默认是采用“非公平策略”。

ReentrantReadWriteLock()

// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock，fair是“公平策略”。fair为true，意味着公平策略；否则，意味着非公平策略。

ReentrantReadWriteLock(boolean fair)

// 返回当前拥有写入锁的线程，如果没有这样的线程，则返回 null。

protected Thread getOwner()

// 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取锁的线程。

protected Collection<Thread> getQueuedReaderThreads()

// 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。

protected Collection<Thread> getQueuedThreads()

// 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取写入锁的线程。

protected Collection<Thread> getQueuedWriterThreads()

// 返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。

int getQueueLength()

// 查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。

int getReadHoldCount()

// 查询为此锁保持的读取锁数量。

int getReadLockCount()

// 返回一个 collection，它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。

protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition)

// 返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。

int getWaitQueueLength(Condition condition)

// 查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。

int getWriteHoldCount()

// 查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。

boolean hasQueuedThread(Thread thread)

// 查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。

boolean hasQueuedThreads()

// 查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。

boolean hasWaiters(Condition condition)

// 如果此锁将公平性设置为 ture，则返回 true。

boolean isFair()

// 查询是否某个线程保持了写入锁。

boolean isWriteLocked()

// 查询当前线程是否保持了写入锁。

boolean isWriteLockedByCurrentThread()

// 返回用于读取操作的锁。

ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock()

// 返回用于写入操作的锁。

ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock()

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参考代码(基于JDK1.7.0_40)

ReentrantReadWriteLock的完整源码

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AQS的完整源码

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其中，共享锁源码相关的代码如下：

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public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {

private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L;

// ReentrantReadWriteLock的AQS对象

private final Sync sync;

protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) {

sync = lock.sync;

}

// 获取“共享锁”

public void lock() {

sync.acquireShared(1);

}

// 如果线程是中断状态，则抛出一场，否则尝试获取共享锁。

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {

sync.acquireSharedInterruptibly(1);

}

// 尝试获取“共享锁”

public boolean tryLock() {

return sync.tryReadLock();

}

// 在指定时间内，尝试获取“共享锁”

public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

throws InterruptedException {

return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout));

}

// 释放“共享锁”

public void unlock() {

sync.releaseShared(1);

}

// 新建条件

public Condition newCondition() {

throw new UnsupportedOperationException();

}

public String toString() {

int r = sync.getReadLockCount();

return super.toString() +

"[Read locks = " + r + "]";

}

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说明：

ReadLock中的sync是一个Sync对象，Sync继承于AQS类，即Sync就是一个锁。ReentrantReadWriteLock中也有一个Sync对象，而且ReadLock中的sync和ReentrantReadWriteLock中的sync是对应关系。即ReentrantReadWriteLock和ReadLock共享同一个AQS对象，共享同一把锁。

ReentrantReadWriteLock中Sync的定义如下：

final Sync sync;

下面，分别从“获取共享锁”和“释放共享锁”两个方面对共享锁进行说明。

获取共享锁

获取共享锁的思想(即lock函数的步骤)，是先通过tryAcquireShared()尝试获取共享锁。尝试成功的话，则直接返回；尝试失败的话，则通过doAcquireShared()不断的循环并尝试获取锁，若有需要，则阻塞等待。doAcquireShared()在循环中每次尝试获取锁时，都是通过tryAcquireShared()来进行尝试的。下面看看“获取共享锁”的详细流程。

1. lock()

lock()在ReadLock中，源码如下：

public void lock() {

sync.acquireShared(1);

}

2. acquireShared()

Sync继承于AQS，acquireShared()定义在AQS中。源码如下：

public final void acquireShared(int arg) {

if (tryAcquireShared(arg) < 0)

doAcquireShared(arg);

}

说明：acquireShared()首先会通过tryAcquireShared()来尝试获取锁。

尝试成功的话，则不再做任何动作(因为已经成功获取到锁了)。

尝试失败的话，则通过doAcquireShared()来获取锁。doAcquireShared()会获取到锁了才返回。

3. tryAcquireShared()

tryAcquireShared()定义在ReentrantReadWriteLock.java的Sync中，源码如下：

复制代码

protected final int tryAcquireShared(int unused) {

Thread current = Thread.currentThread();

// 获取“锁”的状态

int c = getState();

// 如果“锁”是“互斥锁”，并且获取锁的线程不是current线程；则返回-1。

if (exclusiveCount(c) != 0 &&

getExclusiveOwnerThread() != current)

return -1;

// 获取“读取锁”的共享计数

int r = sharedCount(c);

// 如果“不需要阻塞等待”，并且“读取锁”的共享计数小于MAX_COUNT；

// 则通过CAS函数更新“锁的状态”，将“读取锁”的共享计数+1。

if (!readerShouldBlock() &&

r < MAX_COUNT &&

compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

// 第1次获取“读取锁”。

if (r == 0) {

firstReader = current;

firstReaderHoldCount = 1;

// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程

} else if (firstReader == current) {

firstReaderHoldCount++;

} else {

// HoldCounter是用来统计该线程获取“读取锁”的次数。

HoldCounter rh = cachedHoldCounter;

if (rh == null || rh.tid != current.getId())

cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();

else if (rh.count == 0)

readHolds.set(rh);

// 将该线程获取“读取锁”的次数+1。

rh.count++;

}

return 1;

}

return fullTryAcquireShared(current);

}

复制代码

说明：tryAcquireShared()的作用是尝试获取“共享锁”。

如果在尝试获取锁时，“不需要阻塞等待”并且“读取锁的共享计数小于MAX_COUNT”，则直接通过CAS函数更新“读取锁的共享计数”，以及将“当前线程获取读取锁的次数+1”。

否则，通过fullTryAcquireShared()获取读取锁。

4. fullTryAcquireShared()

fullTryAcquireShared()在ReentrantReadWriteLock中定义，源码如下：

复制代码

final int fullTryAcquireShared(Thread current) {

HoldCounter rh = null;

for (;;) {

// 获取“锁”的状态

int c = getState();

// 如果“锁”是“互斥锁”，并且获取锁的线程不是current线程；则返回-1。

if (exclusiveCount(c) != 0) {

if (getExclusiveOwnerThread() != current)

return -1;

// 如果“需要阻塞等待”。

// (01) 当“需要阻塞等待”的线程是第1个获取锁的线程的话，则继续往下执行。

// (02) 当“需要阻塞等待”的线程获取锁的次数=0时，则返回-1。

} else if (readerShouldBlock()) {

// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程

if (firstReader == current) {

} else {

if (rh == null) {

rh = cachedHoldCounter;

if (rh == null || rh.tid != current.getId()) {

rh = readHolds.get();

if (rh.count == 0)

readHolds.remove();

}

// 如果当前线程获取锁的计数=0,则返回-1。

if (rh.count == 0)

return -1;

}

// 如果“不需要阻塞等待”，则获取“读取锁”的共享统计数；

// 如果共享统计数超过MAX_COUNT，则抛出异常。

if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)

throw new Error("Maximum lock count exceeded");

// 将线程获取“读取锁”的次数+1。

if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {

// 如果是第1次获取“读取锁”，则更新firstReader和firstReaderHoldCount。

if (sharedCount(c) == 0) {

firstReader = current;

firstReaderHoldCount = 1;

// 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程，

// 则将firstReaderHoldCount+1。

} else if (firstReader == current) {

firstReaderHoldCount++;

} else {

if (rh == null)

rh = cachedHoldCounter;

if (rh == null || rh.tid != current.getId())

rh = readHolds.get();

else if (rh.count == 0)

readHolds.set(rh);

// 更新线程的获取“读取锁”的共享计数

rh.count++;

cachedHoldCounter = rh; // cache for release

}

return 1;

}

复制代码

说明：fullTryAcquireShared()会根据“是否需要阻塞等待”，“读取锁的共享计数是否超过限制”等等进行处理。如果不需要阻塞等待，并且锁的共享计数没有超过限制，则通过CAS尝试获取锁，并返回1。

5. doAcquireShared()

doAcquireShared()定义在AQS函数中，源码如下：

复制代码

private void doAcquireShared(int arg) {

// addWaiter(Node.SHARED)的作用是，创建“当前线程”对应的节点，并将该线程添加到CLH队列中。

final Node node = addWaiter(Node.SHARED);

boolean failed = true;

try {

boolean interrupted = false;

for (;;) {

// 获取“node”的前一节点

final Node p = node.predecessor();

// 如果“当前线程”是CLH队列的表头，则尝试获取共享锁。

if (p == head) {

int r = tryAcquireShared(arg);

if (r >= 0) {

setHeadAndPropagate(node, r);

p.next = null; // help GC

if (interrupted)

selfInterrupt();

failed = false;

return;

}

// 如果“当前线程”不是CLH队列的表头，则通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否需要等待，

// 需要的话，则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。若阻塞等待过程中，线程被中断过，则设置interrupted为true。

if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&

parkAndCheckInterrupt())

interrupted = true;

}

} finally {

if (failed)

cancelAcquire(node);

}

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说明：doAcquireShared()的作用是获取共享锁。

它会首先创建线程对应的CLH队列的节点，然后将该节点添加到CLH队列中。CLH队列是管理获取锁的等待线程的队列。

如果“当前线程”是CLH队列的表头，则尝试获取共享锁；否则，则需要通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否阻塞等待，需要的话，则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。

doAcquireShared()会通过for循环，不断的进行上面的操作；目的就是获取共享锁。需要注意的是：doAcquireShared()在每一次尝试获取锁时，是通过tryAcquireShared()来执行的！

若读者对CLH队列，shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt()等内容的细节感兴趣，可以参考“Java多线程系列--“JUC锁”02之互斥锁ReentrantLock”。

释放共享锁

释放共享锁的思想，是先通过tryReleaseShared()尝试释放共享锁。尝试成功的话，则通过doReleaseShared()唤醒“其他等待获取共享锁的线程”，并返回true；否则的话，返回flase。

1. unlock()

public void unlock() {

sync.releaseShared(1);

}

说明：该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。

2. releaseShared()

releaseShared()在AQS中实现，源码如下：

复制代码

public final boolean releaseShared(int arg) {

if (tryReleaseShared(arg)) {

doReleaseShared();

return true;

}

return false;

}

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说明：releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。

它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功，则直接返回；尝试失败，则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

3. tryReleaseShared()

tryReleaseShared()定义在ReentrantReadWriteLock中，源码如下：

复制代码

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {

// 获取当前线程，即释放共享锁的线程。

Thread current = Thread.currentThread();

// 如果想要释放锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程，

// 并且“第1个获取锁的线程获取锁的次数”=1，则设置firstReader为null；

// 否则，将“第1个获取锁的线程的获取次数”-1。

if (firstReader == current) {

// assert firstReaderHoldCount > 0;

if (firstReaderHoldCount == 1)

firstReader = null;

else

firstReaderHoldCount--;

// 获取rh对象，并更新“当前线程获取锁的信息”。

} else {

HoldCounter rh = cachedHoldCounter;

if (rh == null || rh.tid != current.getId())

rh = readHolds.get();

int count = rh.count;

if (count <= 1) {

readHolds.remove();

if (count <= 0)

throw unmatchedUnlockException();

}

--rh.count;

}

for (;;) {

// 获取锁的状态

int c = getState();

// 将锁的获取次数-1。

int nextc = c - SHARED_UNIT;

// 通过CAS更新锁的状态。

if (compareAndSetState(c, nextc))

return nextc == 0;

}

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说明：tryReleaseShared()的作用是尝试释放共享锁。

4. doReleaseShared()

doReleaseShared()定义在AQS中，源码如下：

复制代码

private void doReleaseShared() {

for (;;) {

// 获取CLH队列的头节点

Node h = head;

// 如果头节点不为null，并且头节点不等于tail节点。

if (h != null && h != tail) {

// 获取头节点对应的线程的状态

int ws = h.waitStatus;

// 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态，则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。

if (ws == Node.SIGNAL) {

// 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话，则继续循环。

if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))

continue;

// 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。

unparkSuccessor(h);

}

// 如果头节点对应的线程是空状态，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。

else if (ws == 0 &&

!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))

continue; // loop on failed CAS

}

// 如果头节点发生变化，则继续循环。否则，退出循环。

if (h == head) // loop if head changed

break;

}

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说明：doReleaseShared()会释放“共享锁”。它会从前往后的遍历CLH队列，依次“唤醒”然后“执行”队列中每个节点对应的线程；最终的目的是让这些线程释放它们所持有的锁。

公平共享锁和非公平共享锁

和互斥锁ReentrantLock一样，ReadLock也分为公平锁和非公平锁。

公平锁和非公平锁的区别，体现在判断是否需要阻塞的函数readerShouldBlock()是不同的。

公平锁的readerShouldBlock()的源码如下：

final boolean readerShouldBlock() {

return hasQueuedPredecessors();

}

在公平共享锁中，如果在当前线程的前面有其他线程在等待获取共享锁，则返回true；否则，返回false。

非公平锁的readerShouldBlock()的源码如下：

final boolean readerShouldBlock() {

return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();

}

在非公平共享锁中，它会无视当前线程的前面是否有其他线程在等待获取共享锁。只要该非公平共享锁对应的线程不为null，则返回true。

ReentrantReadWriteLock示例

复制代码

1 import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;

2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

4 public class ReadWriteLockTest1 {

6 public static void main(String[] args) {

7 // 创建账户

8 MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000);

9 // 创建用户，并指定账户

10 User user = new User("Tommy", myCount);

12 // 分别启动3个“读取账户金钱”的线程和 3个“设置账户金钱”的线程

13 for (int i=0; i<3; i++) {

14 user.getCash();

15 user.setCash((i+1)*1000);

16 }

17 }

18 }

20 class User {

21 private String name; //用户名

22 private MyCount myCount; //所要操作的账户

23 private ReadWriteLock myLock; //执行操作所需的锁对象

25 User(String name, MyCount myCount) {

26 this.name = name;

27 this.myCount = myCount;

28 this.myLock = new ReentrantReadWriteLock();

29 }

31 public void getCash() {

32 new Thread() {

33 public void run() {

34 myLock.readLock().lock();

35 try {

36 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start");

37 myCount.getCash();

38 Thread.sleep(1);

39 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end");

40 } catch (InterruptedException e) {

41 } finally {

42 myLock.readLock().unlock();

43 }

44 }

45 }.start();

46 }

48 public void setCash(final int cash) {

49 new Thread() {

50 public void run() {

51 myLock.writeLock().lock();

52 try {

53 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start");

54 myCount.setCash(cash);

55 Thread.sleep(1);

56 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end");

57 } catch (InterruptedException e) {

58 } finally {

59 myLock.writeLock().unlock();

60 }

61 }

62 }.start();

63 }

64 }

66 class MyCount {

67 private String id; //账号

68 private int cash; //账户余额

70 MyCount(String id, int cash) {

71 this.id = id;

72 this.cash = cash;

73 }

75 public String getId() {

76 return id;

77 }

79 public void setId(String id) {

80 this.id = id;

81 }

83 public int getCash() {

84 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash);

85 return cash;

86 }

88 public void setCash(int cash) {

89 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash);

90 this.cash = cash;

91 }

92 }

复制代码

运行结果：

复制代码

Thread-0 getCash start

Thread-2 getCash start

Thread-0 getCash cash=10000

Thread-2 getCash cash=10000

Thread-0 getCash end

Thread-2 getCash end

Thread-1 setCash start

Thread-1 setCash cash=1000

Thread-1 setCash end

Thread-3 setCash start

Thread-3 setCash cash=2000

Thread-3 setCash end

Thread-4 getCash start

Thread-4 getCash cash=2000

Thread-4 getCash end

Thread-5 setCash start

Thread-5 setCash cash=3000

Thread-5 setCash end

复制代码

结果说明：

(01) 观察Thread0和Thread-2的运行结果，我们发现，Thread-0启动并获取到“读取锁”，在它还没运行完毕的时候，Thread-2也启动了并且也成功获取到“读取锁”。

因此，“读取锁”支持被多个线程同时获取。

(02) 观察Thread-1,Thread-3,Thread-5这三个“写入锁”的线程。只要“写入锁”被某线程获取，则该线程运行完毕了，才释放该锁。

因此，“写入锁”不支持被多个线程同时获取。

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Java多线程系列--“JUC锁”08之 共享锁和ReentrantReadWriteLock

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