纵观全局

我的英文名叫ReentrantReadWriteLock(后面简称RRW),大家喜欢叫我读写锁,因为我常年混迹在读多写少的场景。

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读写锁规范

作为合格的读写锁,先要有读锁与写锁才行。

所以声明了ReadWriteLock接口,作为读写锁的基本规范。

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之后都是围绕着规范去实现读锁与写锁。

读锁与写锁

WriteLock与ReadLock就是读锁和写锁,它们是RRW实现ReadWriteLock接口的产物。

但读锁、写锁也要遵守锁操作的基本规范.

所以WriteLock与ReadLock都实现了Lock接口。

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那么WriteLock与ReadLock对Lock接口具体是如何实现的呢?

自然是少不了我们的老朋友AQS了。

AQS

众所周知,要实现锁的基本操作,必须要仰仗AQS老大哥了。

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板,解决了实现同步器时涉及的大量细节问题,能够极大地减少实现工作,用大白话来说,AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,只有少量细节由子类自己决定。

AQS简化流程图如下

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Sync

AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数,只有少量细节由子类自己决定,但是WriteLock与ReadLock没有直接去继承AQS

因为WriteLock与ReadLock觉得,自己还要去继承AQS实现一些两者可以公用的抽象函数,不仅麻烦,还有重复劳动。

所以干脆单独提供一个对锁操作的类,由WriteLock与ReadLock持有使用,这个类叫Sync。

Sync继承AQS实现了如下的核心抽象函数

  • tryAcquire
  • release
  • tryAcquireShared
  • tryReleaseShared
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其中tryAcquire、release是为WriteLock写锁准备的。

tryAcquireShared、tryReleaseShared是为ReadLock读锁准备的,这里阿星后面会说。

上面说了Sync实现了一些AQS的核心抽象函数,但是Sync本身也有一些重要的内容,看看下面这段代码

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我们都知道AQS中维护了一个state状态变量,正常来说,维护读锁与写锁状态需要两个变量,但是为了节约资源,使用高低位切割实现state状态变量维护两种状态,即高16位表示读状态,低16位表示写状态。

Sync中还定义了HoldCounter与ThreadLocalHoldCounter

  • HoldCounter是用来记录读锁重入数的对象
  • ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal变量,用来存放第一个获取读锁线程外的其他线程的读锁重入数对象
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公平与非公平策略

你看,人家ReentrantLock都有公平与非公平策略,所以ReentrantReadWriteLock也要有。

什么是公平与非公平策略?

因为在AQS流程中,获取锁失败的线程,会被构建成节点入队到CLH队列,其他线程释放锁会唤醒CLH队列的线程重新竞争锁,如下图所示(简化流程)。

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非公平策略是指,非CLH队列的线程与CLH队列的线程竞争锁,大家各凭本事,不会因为你是CLH队列的线程,排了很久的队,就把锁让给你。

公平策略是指,严格按照CLH队列顺序获取锁,一定会让CLH队列线程竞争成功,如果非CLH队列线程一直占用时间片,那就一直失败,直到时间片轮到CLH队列线程为止,所以公平策略的性能会更差。

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回到正题,为了支持公平与非公平策略,Sync扩展了FairSync、NonfairSync子类,两个子类实现了readerShouldBlock、writerShouldBlock函数,即读锁与写锁是否阻塞

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关于readerShouldBlock、writerShouldBlock函数在什么地方使用阿星后面会说。

ReentrantReadWriteLock全局图

最后阿星把前面讲过的内容,全部组装起来,构成下面这张图。

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有了全局观后,后面就可以深入细节逐个击破了。

深入细节

后面我们只要攻破5个细节就够了,分别是读写锁的创建、获取写锁、释放写锁、获取读锁、释放读锁。

ReentrantReadWriteLock的创建

读写锁的创建,会初始化化一系列类,代码如下

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ReentrantReadWriteLock默认是非公平策略,如果想用公平策略,可以直接调用有参构造器,传入true即可。

但不管是创建FairSync还是NonfairSync,都会触发Sync的无参构造器,因为Sync是它们的父类(本质上它们俩都是Sync)。

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因为Sync需要提供给ReadLock与WriteLock使用,所以创建ReadLock与WriteLock时,会接收ReentrantReadWriteLock对象作为入参。

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最后通过ReentrantReadWriteLock.sync把Sync交给了ReadLock与WriteLock。

获取写锁

我们遵守ReadWriteLock接口规范,调用ReentrantReadWriteLock.writeLock函数获取写锁对象。

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获取到写锁对象后,遵守Lock接口规范,调用lock函数获取写锁。

WriteLock.lock函数是由Sync实现的(FairSync或NonfairSync)。

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sync.acquire(1)函数是AQS中的独占式获取锁流程模板(Sync继承自AQS)。

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WriteLock.lock调用链如下图

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我们只关注tryAcquire函数,其他函数是AQS的获取独占式锁失败后的流程内容,不属于本文范畴,tryAcquire函数代码如下

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为了易于理解,阿星把它转成流程图

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通过流程图,我们发现了一些要点

  • 读写互斥
  • 写写互斥
  • 写锁支持同一个线程重入
  • writerShouldBlock写锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略(FairSync和NonfairSync)

释放写锁

获取到写锁,临界区执行完,要记得释放写锁(如果重入多次要释放对应的次数),不然会阻塞其他线程的读写操作,调用unlock函数释放写锁(Lock接口规范)。

WriteLock.unlock函数也是由Sync实现的(FairSync或NonfairSync)。

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sync.release(1)执行的是AQS中的独占式释放锁流程模板(Sync继承自AQS)。

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WriteLock.unlock调用链如下图

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再来看看tryRelease函数,其他函数是AQS的释放独占式成功后的流程内容,不属于本文范畴,tryRelease函数代码如下

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为了易于理解,阿星把它转成流程图

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因为同一个线程可以对相同的写锁重入多次,所以也要释放的相同的次数。

获取读锁

我们遵守ReadWriteLock接口规范,调用ReentrantReadWriteLock.readLock函数获取读锁对象。

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sync.acquireShared(1)函数执行的是AQS中的共享式获取锁流程模板(Sync继承自AQS)。

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ReadLock.lock调用链如下图

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我们只关注tryAcquireShared函数,doAcquireShared函数是AQS的获取共享式锁失败后的流程内容,不属于本文范畴,tryAcquireShared函数代码如下

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代码还挺多的,为了易于理解,阿星把它转成流程图

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通过流程图,我们发现了一些要点

  • 读锁共享,读读不互斥
  • 读锁可重入,每个获取读锁的线程都会记录对应的重入数
  • 读写互斥,锁降级场景除外
  • 支持锁降级,持有写锁的线程,可以获取读锁,但是后续要记得把读锁和写锁读释放
  • readerShouldBlock读锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略(FairSync和NonfairSync)

释放读锁

获取到读锁,执行完临界区后,要记得释放读锁(如果重入多次要释放对应的次数),不然会阻塞其他线程的写操作,通过调用unlock函数释放读锁(Lock接口规范)。

ReadLock.unlock函数也是由Sync实现的(FairSync或NonfairSync)。

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sync.releaseShared(1)函数执行的是AQS中的共享式释放锁流程模板(Sync继承自AQS)。

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ReadLock.unlock调用链如下图

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我们只关注tryReleaseShared函数,doReleaseShared函数是AQS的释放共享式锁成功后的流程内容,不属于本文范畴,tryReleaseShared函数代码如下

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为了易于理解,阿星把它转成流程图

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这里有三点需要注意

  • 第一点:线程读锁的重入数与读锁数量是两个概念,线程读锁的重入数是每个线程获取同一个读锁的次数,读锁数量则是所有线程的读锁重入数总和。
  • 第二点:AQS的共享式释放锁流程模板中,只有全部的读锁被释放了,才会去执行doReleaseShared函数
  • 第三点:因为使用的是AQS共享式流程模板,如果CLH队列后面的线程节点都是因写锁阻塞的读锁线程节点,会传播唤醒

小结

最后阿星做个小结,ReentrantReadWriteLock底层实现与ReentrantLock思路一致,它们都离不开AQS,都是声明一个继承AQS的Sync,并在Sync下扩展公平与非公平策略,后续的锁相关操作都委托给公平与非公平策略执行。

我们还发现,在AQS中除了独占式模板,还有共享式模板,它们在多线程访问共享资源的流程会有所差异,就如ReentrantReadWriteLock中读锁使用共享式,写锁使用独占式。

最后再捋一捋写锁与读锁的逻辑

  1. 读读不阻塞
  2. 写锁阻塞写之后的读写锁,但是不阻塞写锁之前的读锁线程
  3. 写锁会被写之前的读写锁阻塞
  4. 读锁节点唤醒会无条件传播唤醒CLH队列后面的读锁节点
  5. 写锁可以降级为读锁,防止更新丢失
  6. 读锁、写锁都支持重入

作者:程序猿阿星
原文链接:https://juejin.cn/post/6979404042405412901

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