Java并发-ReentrantReadWriteLock源码分析
来源:互联网 发布:excel对数据分类汇总 编辑:程序博客网 时间:2024/05/18 13:09
ReentrantLock实现了标准的互斥重入锁,任一时刻只有一个线程能获得锁。考虑这样一个场景:大部分时间都是读操作,写操作很少发生;我们知道,读操作是不会修改共享数据的,如果实现互斥锁,那么即使都是读操作,也只有一个线程能获得锁,其他的读都得阻塞。这样显然不利于提供系统的并发量。在JDK1.5中,Doug Lea又给我们带来了读写锁ReentrantReadWriteLock,在读-写锁的实现加锁策略中,允许多个读操作同时进行,但每次只允许一个写操作。
ReentrantReadWriteLock的结构
ReentrantReadWriteLock(简称RRWL)的实现也是通过AQS来实现的,它的内部也与一个Sync类,继承自AQS,读写锁都是依赖它来实现。在RRWL内部有两个类来分别实现读锁和写锁,ReadLock和WriteLock。RRWL有两个方法分别用于返回读锁和写锁:
ReentrantReadWriteLock.ReadLock
readLock()
ReentrantReadWriteLock.WriteLock
writeLock()
Sync类
在读写锁中最重要的就是Sync类,它继承自AQS,还记得吗,AQS使用一个int型来保存状态,状态在这里就代表锁,它提供了获取和修改状态的方法。可是,这里要实现读锁和写锁,只有一个状态怎么办?Doug Lea是这么做的,它把状态的高16位用作读锁,低16位用作写锁,所以无论是读锁还是写锁最多只能被持有65535次。所以在判断读锁和写锁的时候,需要进行位运算:
(1)由于读写锁共享状态,所以状态不为0,只能说明是有锁,可能是读锁,也可能是写锁;
(2)读锁是高16为表示的,所以读锁加1,就是状态的高16位加1,低16位不变,所以要加的不是1,而是2^16,减一同样是这样。
(3)写锁用低16位表示,要获得写锁的次数,要用状态&2^16-1,结果的高16位全为0,低16位就是写锁被持有的次数。
在Sync中还有几个属性,会在后面的代码中用到。
/** 实现ReentrantReadWriteLock的同步器,分别用子类来实现公平和非公平策略 */ abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L; //最多支持65535个写锁和65535个读锁;低16位表示写锁计数,高16位表示持有读锁的线程数 static final int SHARED_SHIFT = 16; //由于读锁用高位部分,读锁个数加1,其实是状态值加 2^16 static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT); static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; /**写锁的掩码,用于状态的低16位有效值 */ static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1; /** 读锁计数,当前持有读锁的线程数,c的高16位 */ static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; } /** 写锁的计数,也就是它的重入次数,c的低16位*/ static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; } /** * 每个线程持有读锁的计数 */ static final class HoldCounter { int count = 0; //使用id而不是引用是为了避免保留垃圾。注意这是个常量。 final long tid = Thread.currentThread().getId(); } /** * 采用继承是为了重写 initialValue 方法,这样就不用进行这样的处理: * 如果ThreadLocal没有当前线程的计数,则new一个,再放进ThreadLocal里。 * 可以直接调用 get。 * */ static final class ThreadLocalHoldCounter extends ThreadLocal<HoldCounter> { public HoldCounter initialValue() { return new HoldCounter(); } } /** * 当前线程持有的可重入读锁的数量,仅在构造方法和readObject(反序列化) * 时被初始化,当持有锁的数量为0时,移除此对象。 */ private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds; /** * 最近一个成功获取读锁的线程的计数。这省却了ThreadLocal查找, * 通常情况下,下一个释放线程是最后一个获取线程。这不是 volatile 的, * 因为它仅用于试探的,线程进行缓存也是可以的 * (因为判断是否是当前线程是通过线程id来比较的)。 */ private transient HoldCounter cachedHoldCounter; /**firstReader是第一个获得读锁的线程; * firstReaderHoldCount是firstReader的重入计数; * 更准确的说,firstReader是最后一个把共享计数从0改为1,并且还没有释放锁。 * 如果没有这样的线程,firstReader为null; * firstReader不会导致垃圾堆积,因为在tryReleaseShared中将它置空了,除非 * 线程异常终止,没有释放读锁。 * * 跟踪无竞争的读锁计数时,代价很低 */ private transient Thread firstReader = null; private transient int firstReaderHoldCount; Sync() { readHolds = new ThreadLocalHoldCounter(); setState(getState()); // ensures visibility of readHolds }它的两个子类,FairSync和NonFairSync比较简单,它们就是决定在某些情况下读锁或者写锁是否需要阻塞,通过两个方法的返回值决定:
final boolean writerShouldBlock();//写锁是否需要阻塞
final boolean readerShouldBlock();//读锁是否需要阻塞
获取读锁
读锁是共享锁,同一时刻可以被多个线程获得,下面是获得读锁的代码:
/** * 获取读锁,如果写锁不是由其他线程持有,则获取并立即返回; * 如果写锁被其他线程持有,阻塞,直到读锁被获得。 */public void lock() { sync.acquireShared(1);}//ASQ的acquireShared/** * 以共享模式获取对象,忽略中断。通过至少先调用一次 tryAcquireShared(int) * 来实现此方法,并在成功时返回。否则在成功之前,一直调用 tryAcquireShared(int) * 将线程加入队列,线程可能重复被阻塞或不被阻塞。 */public final void acquireShared(int arg) { if (tryAcquireShared(arg) < 0) doAcquireShared(arg);}//Sync中的tryAcquireSharedprotected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); //持有写锁的线程可以获得读锁 if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1;//写锁被占用,且不是由当前线程持有,返回-1 //执行到这里表明:写锁可用,或者写锁由当前线程持有 //获得读锁的数量 int r = sharedCount(c); /** 如果不用阻塞,且没有溢出,则使用CAS修改状态,并且修改成功 */ if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {//修改高16位的状态,所以要加上2^16 //这是第一个占有读锁的线程,设置firstReader if (r == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) {//重入计数加1 firstReaderHoldCount++; } else { // 非 firstReader 读锁重入计数更新 //将cachedHoldCounter设置为当前线程 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; } return 1; } //获取读锁失败,放到循环里重试 return fullTryAcquireShared(current); }重点关注Sync中的tryAcquireShared(int),注意,在所有的读写锁中,获取锁和释放锁每次都是一个计数行为,锁其计数都说是1,而在获得读锁的过程中,参数根本就没有意义。上面的代码包含的逻辑:
(1)如果当前写锁被其他线程持有,则获取读锁失败;
(2)写锁空闲,或者写锁被当前线程持有(写锁可降级为读锁),在公平策略下,它可能需要阻塞,那么tryAcquireShared()就可能失败,则需要进入队列等待;如果是非公平策略,会尝试获取锁,使用CAS修改状态,修改成功,则获得读锁,否则也会进入同步队列等待;
(3)进入同步队列后,就是由AQS来完成唤醒。
释放读锁
一般来说,释放锁比获取锁要容易一些,看一下释放读锁的代码:
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { //将当前线程的读锁计数器的值减1 Thread current = Thread.currentThread(); /** * 当前线程是第一个获取到锁的,如果此线程要释放锁了,则firstReader置空 * 否则,将线程持有的锁计数减1 */ if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; if (firstReaderHoldCount == 1) firstReader = null; else firstReaderHoldCount--; } else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter; //如果cachedHoldCounter为空,或者不等于当前线程 if (rh == null || rh.tid != current.getId()) rh = readHolds.get(); int count = rh.count; if (count <= 1) { readHolds.remove(); if (count <= 0)//如果没有持有读锁,释放是非法的 throw unmatchedUnlockException(); } --rh.count; } //有可能其他线程也在释放读锁,所以要确保释放成功 for (;;) { int c = getState(); int nextc = c - SHARED_UNIT;//高16位-1 if (compareAndSetState(c, nextc)) // 释放读锁对其他读线程没有任何影响, // 但可以允许等待的写线程继续,如果读锁、写锁都空闲。 return nextc == 0; } }释放读锁很简单,就是把状态的高16位减1,同时把当前线程持有锁的计数减1。在释放的过程中,其他线程可能也在释放读锁,所以修改状态有可能失败,把修改状态放到循环里做,直到成功为止。
写锁的获取
protected final boolean tryAcquire(int acquires) { Thread current = Thread.currentThread(); //获取状态,是读写锁共有的 int c = getState(); //写锁被持有的次数,通过与低16位做与操作得到 int w = exclusiveCount(c); //c!=0,说明存在锁,可能是读锁,也可能是写锁 if (c != 0) { // c!=0,w==0,说明读锁存在 //w != 0 && current != getExclusiveOwnerThread() 表示其他线程获取了写锁。 if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread()) return false; //如果超过了最大限制,则抛出异常 if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); //执行到这里,说明存在写锁,且由当前线程持有 // 重入计数 setState(c + acquires); return true; } //执行到这里,说明不存在任何锁 //WriterShouldBlock留给子类实现公平策略 //使用CAS修改状态 if (writerShouldBlock() || !compareAndSetState(c, c + acquires)) return false; setExclusiveOwnerThread(current); return true; }其包含的逻辑:
(1)首先获得状态,保存到c中,获得写锁的计数保存到w中;这个时候需要根据c的值来判断是否存在锁
(2)如果c!=0,说明存在锁,如果w==0,说明存在读锁,获取写锁不能成功;如果w!=0,但是写锁是由其他线程持有的,那么当前线程获取写锁也不能成功;在这种情况下(存在写锁),只有写锁是由当前线程持有的,才能获得成功;
(3)如果c==0,说明不存在锁,如果是公平策略,还需要进入同步队列;如果是非公平策略,会尝试获得写锁。
释放写锁
protected final boolean tryRelease(int releases) { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; //如果锁是可用的 if (free) setExclusiveOwnerThread(null); setState(nextc); return free; }释放写锁很简答,就是状态的低16为减1,如果为0,说明写锁可用,返回true,如果不为0,说明当前线程仍然持有写锁,返回false;
上面只是简单的介绍了ReentrantReadWriteLock的实现,过会还会补充。
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