Java 重入鎖和讀寫鎖
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作者 | 低吟不作語
來源 | urlify.cn/NRRbiy
1、重入鎖
重入鎖 ReentrantLock，顧名思義，就是支持重進(jìn)入的鎖，它表示該鎖能夠支持一個(gè)線程對(duì)資源的重復(fù)加鎖。除此之外，該鎖還支持獲取鎖時(shí)的公平和非公平性選擇
所謂不支持重進(jìn)入，可以考慮如下場(chǎng)景：當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用 lock() 方法獲取鎖之后，如果再次調(diào)用 lock() 方法，則該線程將會(huì)被自己阻塞，原因是在調(diào)用 tryAcquire(int acquires) 方法時(shí)會(huì)返回 false，從而導(dǎo)致線程阻塞
synchronize 關(guān)鍵字隱式的支持重進(jìn)入，比如一個(gè) synchronize 修飾的遞歸方法，在方法執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行線程在獲取鎖之后仍能連續(xù)多次地獲得該鎖。ReentrantLock 雖然不能像 synchronize 關(guān)鍵字一樣支持隱式的重進(jìn)入，但在調(diào)用 lock() 方法時(shí)，已經(jīng)獲得鎖的線程，能夠再次調(diào)用 lock() 方法獲取鎖而不被阻塞
1. 1實(shí)現(xiàn)重進(jìn)入
重進(jìn)入特性的實(shí)現(xiàn)需要解決以下兩個(gè)問題：
線程再次獲取鎖
鎖需要去識(shí)別獲取鎖的線程是否為當(dāng)前占據(jù)鎖的線程，如果是，則再次成功獲取
鎖的最終釋放
線程重復(fù) n 次獲取鎖，隨后在第 n 次釋放該鎖后，其他線程能獲取到鎖。實(shí)現(xiàn)此功能，理應(yīng)考慮使用計(jì)數(shù)
ReentrantLock 通過組合自定義同步器來實(shí)現(xiàn)鎖的獲取與釋放，以非公平鎖實(shí)現(xiàn)為例，獲取同步狀態(tài)的代碼如下所示，主要是增加了再次獲取同步狀態(tài)的處理邏輯
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
// 判斷當(dāng)前線程是否為獲取鎖的線程
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
// 將同步值進(jìn)行增加，并返回 true
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}考慮到成功獲取鎖的線程再次獲取鎖，只是增加同步狀態(tài)值，這也就要求 ReentrantLock 在釋放同步狀態(tài)時(shí)減少同步狀態(tài)值，該方法代碼如下：
protected final boolean tryRelease(int releases) {
// 減少狀態(tài)值
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
// 當(dāng)同步狀態(tài)為0，將占有線程設(shè)為null，并返回true，表示釋放成功
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
1.2. 公平與非公平獲取鎖的區(qū)別
如果一個(gè)鎖是公平的，那么鎖的獲取順序就應(yīng)該符合請(qǐng)求的絕對(duì)時(shí)間順序，也即 FIFO。回顧上一節(jié)，非公平鎖只要 CAS 設(shè)置同步狀態(tài)成功，即表示當(dāng)前線程獲取了鎖，而公平鎖則不同，代碼如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
/*
* 唯一不同的就是判斷條件多了 hasQueuedPredecessors()
* 該方法用來判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)
* 如果該方法返回 true，表示有線程比當(dāng)前線程更早請(qǐng)求獲取鎖
* 因此需要等待前驅(qū)線程釋放鎖之后才能繼續(xù)獲取鎖
*/
if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
2、讀寫鎖
之前提到的鎖基本都是排它鎖，同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問，而讀寫鎖在同一時(shí)刻可以允許多個(gè)線程訪問，但在寫線程訪問時(shí)，所有的讀線程和其他寫線程均被阻塞。讀寫鎖維護(hù)了一對(duì)鎖，一個(gè)讀鎖和一個(gè)寫鎖，通過分離讀鎖和寫鎖，使得并發(fā)性相比一般的排它鎖有了很大提升
2.1接口示例
下面通過緩存示例說明讀寫鎖的使用方式
public class Cache {
static Map<String, Object> map = new HashMap<>();
static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
static Lock r = rwl.readLock();
static Lock w = rwl.writeLock();
/**
* 獲取一個(gè) key 對(duì)應(yīng)的 value
*/
public static Object get(String key) {
r.lock();
try {
return map.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}
/**
* 設(shè)置 key 對(duì)應(yīng)的 value，并返回舊的 value
*/
public static Object put(String key, Object value) {
w.lock();
try {
return map.put(key, value);
} finally {
w.unlock();
}
}
/**
* 清空所有的內(nèi)容
*/
public static void clear() {
w.lock();
try {
map.clear();
} finally {
w.unlock();
}
}
}
2. 2讀寫狀態(tài)的設(shè)計(jì)
讀寫鎖同樣依賴自定義同步器來實(shí)現(xiàn)功能，而讀寫狀態(tài)就是其同步器狀態(tài)。讀寫鎖的自定義同步器需要在同步狀態(tài)（一個(gè)整型變量）上維護(hù)多個(gè)讀線程和一個(gè)寫線程的狀態(tài)，為此需要讀寫鎖將變量切分成兩部分，高 16 位表示讀，低 16 位表示寫
上圖表示一個(gè)線程已經(jīng)獲取了寫鎖，且重進(jìn)入了兩次，同時(shí)也連續(xù)兩次獲取了讀鎖。通過位運(yùn)算可以迅速確定讀和寫各自的狀態(tài)，假設(shè)當(dāng)前同步狀態(tài)值為 S，則：
寫狀態(tài)等于 S & 0x0000FFFF（將高 16 位全部抹去）
讀狀態(tài)等于 S >>> 16（無符號(hào)右移 16 位）
當(dāng)寫狀態(tài)增加 1 時(shí)，等于 S + 1
當(dāng)讀狀態(tài)增加 1 時(shí)，等于 S + (1<<6)，也就是 S + 0x00010000
根據(jù)狀態(tài)的劃分能得出一個(gè)結(jié)論：S 不等于 0 時(shí)，當(dāng)寫狀態(tài)（S & 0x0000FFFF）等于 0 時(shí)，則讀狀態(tài)（S >>> 16）大于 0，即讀鎖已被獲取
2.3寫鎖的獲取與釋放
寫鎖是一個(gè)支持重進(jìn)入的排它鎖。如果當(dāng)前線程已經(jīng)獲取了寫鎖，則增加寫狀態(tài)。如果當(dāng)前線程在獲取寫鎖時(shí)，讀鎖已被獲取，或者該線程不是獲取寫鎖的線程，則當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，獲取寫鎖的代碼如下：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
// exclusiveCount 方法會(huì)用 c & 0x0000FFFF，即得出寫狀態(tài)個(gè)數(shù)
int w = exclusiveCount(c);
if (c != 0) {
// 根據(jù)上面提到的推論，c 不等于 0，而 w 等于 0，證明存在讀鎖
// 當(dāng)前線程也不是獲取了寫鎖的線程
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;
}寫鎖的每次釋放均會(huì)減少寫狀態(tài)，當(dāng)寫狀態(tài)為 0 時(shí)表示寫鎖已被釋放，從而等待的讀寫線程能夠繼續(xù)訪問讀寫鎖，同時(shí)前次寫線程的修改對(duì)后續(xù)讀寫線程可見
2.4讀鎖的獲取與釋放
讀鎖是一個(gè)支持重進(jìn)入的共享鎖，它能被多個(gè)線程同時(shí)獲取，在沒有其他寫線程訪問時(shí)，讀鎖總能被成功獲取，這里對(duì)獲取讀鎖的代碼做了簡(jiǎn)化：
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
for(;;) {
int c = getState();
int nextc = c + (1<<16);
if(nextc < c) {
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
}
// 如果其他線程已經(jīng)獲取寫鎖，則讀取獲取失敗
if(exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread()) {
return -1;
}
if(compareAndSetState(c, nextc)) {
return 1;
}
}
}讀鎖的每次釋放均減少讀狀態(tài)，減少的值是 1<<16
2.5鎖降級(jí)
鎖降級(jí)指的是寫鎖降級(jí)成為讀鎖。如果當(dāng)前線程擁有寫鎖，然后將其釋放，最后再獲取讀鎖，這種分段完成的過程不能稱之為鎖降級(jí)。鎖降級(jí)是指把持住寫鎖，再獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖的過程
public void processData() {
readLock.lock();
if(!update) {
// 必須先釋放讀鎖
readLock.unlock();
// 鎖降級(jí)從寫鎖獲取到開始
writeLock.lock();
try {
if(!update) {
// 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的流程（略）
update = true;
}
readLock.lock();
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
try {
// 使用數(shù)據(jù)的流程（略）
} finally {
readLock.unlock();
}
}上例中，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變更，則 update（使用 volatile 修飾）被設(shè)置為 false，此時(shí)所有訪問 processData 方法的線程都能感知到變化，但只有一個(gè)線程能獲取到寫鎖，其余線程會(huì)被阻塞在寫鎖的 lock 方法上。當(dāng)前線程獲取寫鎖完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備之后，再次獲取讀鎖，隨后釋放寫鎖，完成鎖降級(jí)
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