我們繼續Java多線程與并發系列之旅，之前我們分享了Synchronized 和 ReentrantLock 都是獨占鎖，即在同一時刻只有一個線程獲取到鎖。

然而在有些業務場景中，我們大多在讀取數據，很少寫入數據，這種情況下，如果仍使用獨占鎖，效率將及其低下。

針對這種情況，Java提供了讀寫鎖——ReentrantReadWriteLock。

有點類似MySQL數據庫為代表的讀寫分離機制，既然我們知道了讀寫鎖是用于讀多寫少的場景。那問題來了，ReentrantReadWriteLock是怎樣來實現的呢，它與ReentrantLock的實現又有什么的區別呢？

帶著這些疑問，Mike將通過本篇為大家剖析其中的緣由。

本文作者：MikeChen，10年+大廠架構師、CTO，持續創作、免費分享【BAT架構技術專題500+期】。

文章目錄

• ReentrantReadWriteLock簡介
• ReentrantReadWriteLock特性
• ReentrantReadWriteLock的主要成員
• ReentrantReadWriteLock的實現原理
• ReentrantReadWriteLock寫鎖和讀鎖的獲取與釋放

ReentrantReadWriteLock簡介

很多情況下有這樣一種場景：對共享資源有讀和寫的操作，且寫操作沒有讀操作那么頻繁。

在沒有寫操作的時候，多個線程同時讀一個資源沒有任何問題，所以應該允許多個線程同時讀取共享資源，但是如果一個線程想去寫這些共享資源，就不應該允許其他線程對該資源進行讀和寫的操作了。

針對這種場景，JAVA的并發包提供了讀寫鎖ReentrantReadWriteLock，它表示兩個鎖，一個是讀操作相關的鎖，稱為共享鎖；一個是寫相關的鎖，稱為排他鎖。

ReentrantReadWriteLock特性

• 公平性：讀寫鎖支持非公平和公平的鎖獲取方式，非公平鎖的吞吐量優于公平鎖的吞吐量，默認構造的是非公平鎖
• 可重入：在線程獲取讀鎖之后能夠再次獲取讀鎖，但是不能獲取寫鎖，而線程在獲取寫鎖之后能夠再次獲取寫鎖，同時也能獲取讀鎖
• 鎖降級：線程獲取寫鎖之后獲取讀鎖，再釋放寫鎖，這樣實現了寫鎖變為讀鎖，也叫鎖降級

ReentrantReadWriteLock的主要成員和結構圖

1. ReentrantReadWriteLock的繼承關系

public interface ReadWriteLock {/*** Returns the lock used for reading.** @return the lock used for reading.*/Lock readLock（）;/*** Returns the lock used for writing.** @return the lock used for writing.*/Lock writeLock（）; }

讀寫鎖 ReadWriteLock

讀寫鎖維護了一對相關的鎖，一個用于只讀操作，一個用于寫入操作。

只要沒有寫入，讀取鎖可以由多個讀線程同時保持,寫入鎖是獨占的。

2.ReentrantReadWriteLock的核心變量

ReentrantReadWriteLock類包含三個核心變量：

ReaderLock：讀鎖,實現了Lock接口

WriterLock：寫鎖,也實現了Lock接口

Sync：繼承自AbstractQueuedSynchronize（AQS）,可以為公平鎖FairSync 或 非公平鎖NonfairSync

3.ReentrantReadWriteLock的成員變量和構造函數

/** 內部提供的讀鎖 */private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readerLock;/** 內部提供的寫鎖 */private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writerLock;/** AQS來實現的同步器 */final Sync sync;/*** Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with* 默認創建非公平的讀寫鎖*/public ReentrantReadWriteLock（） {this（false）;}/*** Creates a new {@code ReentrantReadWriteLock} with* the given fairness policy.** @param fair {@code true} if this lock should use a fair ordering policy*/public ReentrantReadWriteLock（boolean fair） {sync = fair ? new FairSync（） : new NonfairSync（）;readerLock = new ReadLock（this）;writerLock = new WriteLock（this）;}

ReentrantReadWriteLock的核心實現

ReentrantReadWriteLock實現關鍵點，主要包括：

• 讀寫狀態的設計
• 寫鎖的獲取與釋放
• 讀鎖的獲取與釋放
• 鎖降級

1.讀寫狀態的設計

之前談ReentrantLock的時候,Sync類是繼承于AQS，主要以int state為線程鎖狀態,0表示沒有被線程占用，1表示已經有線程占用。

同樣ReentrantReadWriteLock也是繼承于AQS來實現同步，那int state怎樣同時來區分讀鎖和寫鎖的？

如果在一個整型變量上維護多種狀態，就一定需要“按位切割使用”這個變量，ReentrantReadWriteLock將int類型的state將變量切割成兩部分：

• 高16位記錄讀鎖狀態
• 低16位記錄寫鎖狀態

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 版本序列號private static final long serialVersionUID = 6317671515068378041L; // 高16位為讀鎖，低16位為寫鎖static final int SHARED_SHIFT = 16;// 讀鎖單位static final int SHARED_UNIT = （1 << SHARED_SHIFT）;// 讀鎖最大數量static final int MAX_COUNT = （1 << SHARED_SHIFT） - 1;// 寫鎖最大數量static final int EXCLUSIVE_MASK = （1 << SHARED_SHIFT） - 1;// 本地線程計數器private transient ThreadLocalHoldCounter readHolds;// 緩存的計數器private transient HoldCounter cachedHoldCounter;// 第一個讀線程private transient Thread firstReader = null;// 第一個讀線程的計數private transient int firstReaderHoldCount; }

2.寫鎖的獲取與釋放

protected final boolean tryAcquire（int acquires） {/** Walkthrough:* 1. If read count nonzero or write count nonzero* and owner is a different thread, fail.* 2. If count would saturate, fail. （This can only* happen if count is already nonzero.）* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if* it is either a reentrant acquire or* queue policy allows it. If so, update state* and set owner.*/Thread current = Thread.currentThread（）;int c = getState（）;//獲取獨占鎖（寫鎖）的被獲取的數量int w = exclusiveCount（c）;if （c != 0） {// （Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0）//1.如果同步狀態不為0，且寫狀態為0,則表示當前同步狀態被讀鎖獲取//2.或者當前擁有寫鎖的線程不是當前線程if （w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread（））return false;if （w + exclusiveCount（acquires） > MAX_COUNT）throw new Error（"Maximum lock count exceeded"）;// Reentrant acquiresetState（c + acquires）;return true;}if （writerShouldBlock（） ||!compareAndSetState（c, c + acquires））return false;setExclusiveOwnerThread（current）;return true;}

1）c是獲取當前鎖狀態,w是獲取寫鎖的狀態。

2）如果鎖狀態不為零，而寫鎖的狀態為0，則表示讀鎖狀態不為0，所以當前線程不能獲取寫鎖。或者鎖狀態不為零，而寫鎖的狀態也不為0，但是獲取寫鎖的線程不是當前線程，則當前線程不能獲取寫鎖。

3）寫鎖是一個可重入的排它鎖，在獲取同步狀態時，增加了一個讀鎖是否存在的判斷。

寫鎖的釋放與ReentrantLock的釋放過程類似，每次釋放將寫狀態減1，直到寫狀態為0時，才表示該寫鎖被釋放了。

3.讀鎖的獲取與釋放

protected final int tryAcquireShared（int unused） {for（;;） {int c = getState（）;int nextc = c + （1<<16）;if（nextc < c） {throw new Error（"Maxumum lock count exceeded"）;}if（exclusiveCount（c）!=0 && owner != Thread.currentThread（））return -1;if（compareAndSetState（c,nextc））return 1;} }

1）讀鎖是一個支持重進入的共享鎖，可以被多個線程同時獲取。

2）在沒有寫狀態為0時，讀鎖總會被成功獲取，而所做的也只是增加讀狀態（線程安全）

3）讀狀態是所有線程獲取讀鎖次數的總和，而每個線程各自獲取讀鎖的次數只能選擇保存在ThreadLocal中，由線程自身維護。

讀鎖的每次釋放均減小狀態（線程安全的，可能有多個讀線程同時釋放鎖），減小的值是1<<16。

4.鎖降級

降級是指當前把持住寫鎖，再獲取到讀鎖，隨后釋放（先前擁有的）寫鎖的過程。

鎖降級過程中的讀鎖的獲取是否有必要，答案是必要的。主要是為了保證數據的可見性，如果當前線程不獲取讀鎖而直接釋放寫鎖，假設此刻另一個線程獲取的寫鎖，并修改了數據，那么當前線程就步伐感知到線程T的數據更新，如果當前線程遵循鎖降級的步驟，那么線程T將會被阻塞，直到當前線程使數據并釋放讀鎖之后，線程T才能獲取寫鎖進行數據更新。

5.讀鎖與寫鎖的整體流程

ReentrantReadWriteLock總結

本篇詳細介紹了ReentrantReadWriteLock的特征、實現、鎖的獲取過程，通過4個關鍵點的核心設計：

• 讀寫狀態的設計
• 寫鎖的獲取與釋放
• 讀鎖的獲取與釋放
• 鎖降級

從而才能實現：共享資源有讀和寫的操作，且寫操作沒有讀操作那么頻繁的應用場景。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程系列(十一)：ReentrantReadWriteLock的实现原理与锁获取详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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