33张图剖析ReentrantReadWriteLock源码
时间：2021-08-19 16:37:01
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[导读]本文大纲如下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。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。之后都是围绕着规范...
本文大纲如下
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。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。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。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简化流程图如下如果读者想深入AQS细节，可以看阿星的这篇文章：16张图揭开AQS
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
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。关于读写锁状态设计具体细节可以看阿星的文章：ReentrantReadWriteLock的位运算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
如果读者对ThreadLocal不太熟悉，可以去看阿星的文章: 保姆级教学，22张图揭开ThreadLocal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）。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。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。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。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）。ReentrantReadWriteLock对象作为入参。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。lock函数获取写锁。WriteLock.lock函数是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。sync.acquire(1)函数是AQS中的独占式获取锁流程模板（Sync继承自AQS）。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- 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）。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）。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。lock函数获取读锁。ReadLock.lock函数是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。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）。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- 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）。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）。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- 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- 读读不阻塞
- 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
- 写锁会被写之前的读写锁阻塞
- 读锁节点唤醒会无条件传播唤醒CLH队列后面的读锁节点
- 写锁可以降级为读锁，防止更新丢失
- 读锁、写锁都支持重入
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