【Java并发编程实战】:Java中的读写锁及其实现分析
发布日期:2021-07-17 16:07:41 浏览次数:8 分类:技术文章

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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

特性 说明
公平性选择 支持非公平(默认)和公平的锁获取方式,吞吐量还是非公平优于公平
重进入 该锁支持重进入,以读写线程为例:读线程在获取了读锁之后,能够再次获取读锁。而写线程在获取了写锁之后能够再次获取写锁,同时也可以获取读锁
锁降级 遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序,写锁能够降级成为读锁

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

方法名称 描述
int getReadLockCount() 返回当前读锁被获取的次数。该次数不等于获取读锁的线程数,比如:仅一个线程,它连续获取(重进入)了n次读锁,那么占据读锁的线程数是1,但该方法返回n
int getReadHoldCount() 返回当前线程获取读锁的次数。该方法在Java 6 中加入到ReentrantReadWriteLock中,使用ThreadLocal保存当前线程获取的次数,这也使得Java 6 的实现变得更加复杂
boolean isWriteLocked() 判断写锁是否被获取
int getWriteHoldCount() 返回当前写锁被获取的次数

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
map = new HashMap
(); 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

在这里插入图片描述

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 + 0×00010000。

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。

代码清单3. ReentrantReadWriteLock的tryRelease方法

protected final boolean tryRelease(int releases) {
if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); int nextc = getState() - releases; boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0; if (free) setExclusiveOwnerThread(null); setState(nextc); return free; }

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4所示。

代码清单4. ReentrantReadWriteLock的tryAcquireShared方法

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread(); int c = getState(); // 如果写锁被其他线程占用,那么直接fail if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; int r = sharedCount(c); if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
// 如果读锁的count为0,那么直接获取 if (r == 0) {
firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 如果 } else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++; } else {
HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current); }final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
/* * This code is in part redundant with that in * tryAcquireShared but is simpler overall by not * complicating tryAcquireShared with interactions between * retries and lazily reading hold counts. */ HoldCounter rh = null; for (;;) {
int c = getState(); if (exclusiveCount(c) != 0) {
if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // else we hold the exclusive lock; blocking here // would cause deadlock. } else if (readerShouldBlock()) {
// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0; } else {
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get(); if (rh.count == 0) readHolds.remove(); } } if (rh.count == 0) return -1; } } if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; } else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++; } else {
if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); rh.count++; cachedHoldCounter = rh; // cache for release } 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5所示。

代码清单5. 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。

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