多线程编程-- part 6 共享锁和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。
（1）“读取锁”用于只读操作，它是“共享锁”，能同时被多个线程获取。
（2）“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。
（3）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。

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

// 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()

ReentrantReadWriteLock数据结构

从中可以看出：

（1）ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。ReadWriteLock是一个读写锁的接口，提供了"获取读锁的readLock()函数" 和 "获取写锁的writeLock()函数"。
（2） ReentrantReadWriteLock中包含：sync对象，读锁readerLock和写锁writerLock。读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。读锁ReadLock和写锁WriteLock中也都分别包含了"Sync对象"，它们的Sync对象和ReentrantReadWriteLock的Sync对象是一样的，就是通过sync，读锁和写锁实现了对同一个对象的访问。
（3）和"ReentrantLock"一样，sync是Sync类型；而且，Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括"公平锁"FairSync和"非公平锁"NonfairSync。sync对是"FairSync"和"NonfairSync"中的一个，默认是"NonfairSync"。

共享锁相关源码：

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 + "]";

    }

}

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;

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。

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：

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);

}

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：

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;

        }

    }

}

　　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：

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);

    }

}

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！

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：

public final boolean releaseShared(int arg) {

    if (tryReleaseShared(arg)) {

        doReleaseShared();

        return true;

    }

    return false;

}

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：

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;

    }

}

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：

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;

    }

}

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

public class testHello {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建账户

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

        // 创建用户，并指定账户

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

        // 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

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

            user.getCash();

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

        }

    }

}

class User {

    private String name;            //用户名

    private MyCount myCount;        //所要操作的账户

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

    User(String name, MyCount myCount) {

        this.name = name;

        this.myCount = myCount;

        this.myLock = new ReentrantReadWriteLock();

    }

    public void getCash() {

        new Thread() {

            public void run() {

                myLock.readLock().lock();

                try {

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

                    myCount.getCash();

                    Thread.sleep();

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

                } catch (InterruptedException e) {

                } finally {

                    myLock.readLock().unlock();

                }

            }

        }.start();

    }

    public void setCash(final int cash) {

        new Thread() {

            public void run() {

                myLock.writeLock().lock();

                try {

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

                    myCount.setCash(cash);

                    Thread.sleep(1);

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

                } catch (InterruptedException e) {

                } finally {

                    myLock.writeLock().unlock();

                }

            }

        }.start();

    }

}

class MyCount {

    private String id;         //账号

    private int    cash;       //账户余额 

    MyCount(String id, int cash) {

        this.id = id;

        this.cash = cash;

    }

    public String getId() {

        return id;

    }

    public void setId(String id) {

        this.id = id;

    }

    public int getCash() {

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

        return cash;

    }

    public void setCash(int cash) {

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

        this.cash = cash;

    }

}

我们发现：读线程还没有执行完释放锁，另一个读线程已经拿到锁了，可以看出读取锁可以被多个线程同时获取锁。

　　写入线程一定是写完了才会执行其他线程，才释放锁，写入锁不被多个线程同时获取，是独占锁。

巴特西

多线程编程-- part 6 共享锁和ReentrantReadWriteLock

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