Java 重入锁和读写锁

本文部分摘自《Java 并发编程的艺术》

重入锁

重入锁 ReentrantLock,顾名思义,就是支持重进入的锁,它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外,该锁还支持获取锁时的公平和非公平性选择

所谓不支持重进入,可以考虑如下场景:当一个线程调用 lock() 方法获取锁之后,如果再次调用 lock() 方法,则该线程将会被自己阻塞,原因是在调用 tryAcquire(int acquires) 方法时会返回 false,从而导致线程阻塞

synchronize 关键字隐式的支持重进入,比如一个 synchronize 修饰的递归方法,在方法执行时,执行线程在获取锁之后仍能连续多次地获得该锁。ReentrantLock 虽然不能像 synchronize 关键字一样支持隐式的重进入,但在调用 lock() 方法时,已经获得锁的线程,能够再次调用 lock() 方法获取锁而不被阻塞

1. 实现重进入

重进入特性的实现需要解决以下两个问题:

  • 线程再次获取锁

    锁需要去识别获取锁的线程是否为当前占据锁的线程,如果是,则再次成功获取

  • 锁的最终释放

    线程重复 n 次获取锁,随后在第 n 次释放该锁后,其他线程能获取到锁。实现此功能,理应考虑使用计数

ReentrantLock 通过组合自定义同步器来实现锁的获取与释放,以非公平锁实现为例,获取同步状态的代码如下所示,主要是增加了再次获取同步状态的处理逻辑

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 判断当前线程是否为获取锁的线程
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 将同步值进行增加,并返回 true
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

考虑到成功获取锁的线程再次获取锁,只是增加同步状态值,这也就要求 ReentrantLock 在释放同步状态时减少同步状态值,该方法代码如下:

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    // 减少状态值
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    // 当同步状态为0,将占有线程设为null,并返回true,表示释放成功
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

2. 公平与非公平获取锁的区别

如果一个锁是公平的,那么锁的获取顺序就应该符合请求的绝对时间顺序,也即 FIFO。回顾上一节,非公平锁只要 CAS 设置同步状态成功,即表示当前线程获取了锁,而公平锁则不同,代码如下:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        /* 
         * 唯一不同的就是判断条件多了 hasQueuedPredecessors()
         * 该方法用来判断当前节点是否有前驱节点
         * 如果该方法返回 true,表示有线程比当前线程更早请求获取锁
         * 因此需要等待前驱线程释放锁之后才能继续获取锁
         */
        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;
}

读写锁

之前提到的锁基本都是排它锁,同一时刻只允许一个线程访问,而读写锁在同一时刻可以允许多个线程访问,但在写线程访问时,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它锁有了很大提升

1. 接口示例

下面通过缓存示例说明读写锁的使用方式

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();

    /**
     * 获取一个 key 对应的 value
     */
    public static 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();
        }
    }

    /**
     * 清空所有的内容
     */
    public static void clear() {
        w.lock();
        try {
            map.clear();
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }
}

2. 读写状态的设计

读写锁同样依赖自定义同步器来实现功能,而读写状态就是其同步器状态。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,为此需要读写锁将变量切分成两部分,高 16 位表示读,低 16 位表示写

上图表示一个线程已经获取了写锁,且重进入了两次,同时也连续两次获取了读锁。通过位运算可以迅速确定读和写各自的状态,假设当前同步状态值为 S,则:

  • 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<<6),也就是 S + 0x00010000

根据状态的划分能得出一个结论: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. 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,读锁已被获取,或者该线程不是获取写锁的线程,则当前线程进入等待状态,获取写锁的代码如下:

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // exclusiveCount 方法会用 c & 0x0000FFFF,即得出写状态个数
    int w = exclusiveCount(c);
    if (c != 0) {
        // 根据上面提到的推论,c 不等于 0,而 w 等于 0,证明存在读锁
        // 当前线程也不是获取了写锁的线程
        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;
}

写锁的每次释放均会减少写状态,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

4. 读锁的获取与释放

读锁是一个支持重进入的共享锁,它能被多个线程同时获取,在没有其他写线程访问时,读锁总能被成功获取,这里对获取读锁的代码做了简化:

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");
        }
        // 如果其他线程已经获取写锁,则读取获取失败
        if(exclusiveCount(c) != 0 && owner != Thread.currentThread()) {
            return -1;
        }
        if(compareAndSetState(c, nextc)) {
            return 1;
        }
    }
}

读锁的每次释放均减少读状态,减少的值是 1<<16

5. 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。锁降级是指把持住写锁,再获取读锁,随后释放写锁的过程

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();
        }
    }
    try {
        // 使用数据的流程(略)
    } finally {
        readLock.unlock();
    }
}

上例中,当数据发生变更,则 update(使用 volatile 修饰)被设置为 false,此时所有访问 processData 方法的线程都能感知到变化,但只有一个线程能获取到写锁,其余线程会被阻塞在写锁的 lock 方法上。当前线程获取写锁完成数据准备之后,再次获取读锁,随后释放写锁,完成锁降级

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