面试官让我手写一个读写锁出来,我...

扶我起来,我还能学

上周六发了一篇文章: 有个程序媛女朋友是什么体验? ,把阿粉酸的,周六日都没缓过来。但是阿粉又是一个比较负责任的博主,酸归酸,文章还是要更新的

题目是个标题党啦,就是想带你过一遍 ReentrantReadWriteLock ,为了让可爱的读者们多看几眼阿粉的文章,可真是费劲了心思,就问你我暖不暖

ReentrantReadWriteLock 与 ReentrantLock 区别?

在这篇文章中: 阿粉写了八千多字,就是为了把 ReentrantLock 讲透 阿粉对 ReentrantLock 已经做了非常详细的讲解了

那么,今天想要说的 ReentrantReadWriteLock 和 ReentrantLock 有什么区别呢?如果只是从名字上来说的话,就是多了一个 ReadWrite 嘛

如果对 ReentrantLock 比较熟的话,那么当阿粉问你, ReentrantLock 是独占锁还是共享锁,你的第一反应就是: 独占锁

ReentrantReadWriteLock 是在 ReentrantLock 的基础上做的优化,什么优化呢? ReentrantLock 就是不管操作是读操作还是写操作都会对资源进行加锁,但是聪明的你想想嘛,如果好几个操作都只是读的话,并没有让数据的状态发生改变,这样的话是不是可以允许多个读操作同时运行?这样去处理的话,相对来说是不是就提高了并发呢

很多事情都是说起来容易,具体是怎么实现的呢?

啥也不多说,咱们直接上源码好吧

在使用 ReentrantReadWriteLock 时,一般都是调用 writeLockreadLock 两种方法,它在源码中定义如下:

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public ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock() { return writerLock; }
public ReentrantReadWriteLock.ReadLock  readLock()  { return readerLock; }

writeLockreadLock 是 ReentrantReadWriteLock 的两个内部类,其中这两种锁的实现如下(其中省略了一些代码):

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public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable {
    public void lock() {
    	// 共享锁
        sync.acquireShared(1);
    }
		
	public void unlock() {
		// 共享锁
        sync.releaseShared(1);
    }
}

public static class WriteLock implements Lock, java.io.Serializable {
    public void lock() {
    	// 独占锁
        sync.acquire(1);
    }
	
	public void unlock() {
		// 独占锁
        sync.release(1);
    }
}

从源码就能够看出,对于读锁 readLock 它使用的是共享锁,也就是多个线程读没问题 但是对于写锁 writeLock 它使用的是独占锁,就是当一个线程要进行写操作时,其他的线程都要停下来等待

简单点儿说就是:一个资源可以被多个读线程访问,或者被一个写线程访问,但是不能同时存在读线程和写线程,这也是读写锁的定义

ReadLock 和 WriteLock 共享一个变量

如果让你设计一个读写锁的话,会怎样设计?

阿粉还真的认真想了想这个问题,如果让我设计的话,我应该会用两个变量去控制读和写,当线程获取到读锁时就对读变量进行 +1 操作,当获取到写锁时,就对写变量进行 +1 操作

但是通过看 ReentrantReadWriteLock 源码发现,它只是通过一个 state 来实现的

具体实现如下:

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static final int SHARED_SHIFT   = 16;
static final int SHARED_UNIT    = (1 << SHARED_SHIFT);
static final int MAX_COUNT      = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

/** Returns the number of shared holds represented in count  */
static int sharedCount(int c)    { return c >>> SHARED_SHIFT; }
/** Returns the number of exclusive holds represented in count  */
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

有两个关键方法 sharedCountexclusiveCount ,乖,光是从名字意思来看应该也是可以猜出来的吧: sharedCount 就是共享锁的数量,而 exclusiveCount 则是独占锁的数量

通过看源码,能够看出来,对于 sharedCount 来说,它的计算方式就是无符号右移 16 位,空位都以 0 来补齐( c >>> SHARED_SHIFT; )

对于 exclusiveCount 来说,它的计算方式就是将传进来的 c 和 EXCLUSIVE_MASK 做 “&” 运算,那么 EXCLUSIVE_MASK 的值是什么呢?就是 (1 << SHARED_SHIFT) - 1 ,如果对位运算比较熟的话,应该会很容易看出来 (1 << SHARED_SHIFT) - 1 的值就是 65535 ,化成二进制就是 16 个 1,传进来 c 的值,和 16 位全为 1 做 “&” 运算的话,只有 1 & 1 才为 1 ,也就是说,传进来的 c 值经过这样转换之后,还是原来的值

说到这里,可能有点儿懵了,没关系,咱们来个总结就好说了(为了好理解,我就用大白话说了,争取你们都能看懂

对于 sharedCount 来说,只要传进来的值不大于 65535 ,那么经过计算之后,值都是 0

对于 exclusiveCount 来说,传进来的值是多少,经过计算之后还是多少

不管是 sharedCount 还是 exclusiveCount ,最大值都是 65535 ,因为是和 16 做位运算,其实这个数字也是相当够用了

那么,看到这里,各位应该就比较了解了吧,对于 ReadLock 和 WriteLock 来说,在源码层次其实并不是用两个变量去做的,而是通过一个 state 来实现的,思路真的是非常的巧妙

对于阿粉上面说的,如果还是不清楚的话,可以自己写个 demo 去验证一下,很简单的,就比如下面这样:

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public static void main(String[] args) {
    int shareCount = 3000 >>> 16;
    System.out.println("shareCount : " + shareCount);

    int exclusiveCount = 1 & ((1 << 16) - 1);
    System.out.println("exclusiveCount : " + exclusiveCount);
}

等你运行完之后,你就发现,哇,怎么和我说的一样,哈哈哈哈

对于 sharedCount 来说,它是针对读锁的,所以不管多少进程进行读取资源,都没关系,所以它的值就是 0

对于 exclusiveCount来说,它是针对写锁的,那么只要有一个进程在进行写入,其他线程都要停下来等待,所以它的值就是传进来的值

综上,使用一个状态的话,我们只需要去判断 state 这个状态就可以了

WriteLock 的具体实现

OK ,既然你都看到了这里,我就默认上面的内容你都理解了

WriteLock 说白了就是独占锁,所以在获取 WriteLock 时,不能只考虑是否有写锁在占用,还要考虑有没有读锁.接下来咱们就去探究一下, WriteLock 它具体是怎么实现的

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public void lock() {
    sync.acquire(1);
}
        
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 获取到锁的状态
    int c = getState();
    // 获取写锁的数量
    int w = exclusiveCount(c);
    // c != 0 说明有读锁/写锁
    if (c != 0) {
        // (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
        // w == 0 说明此时没有写锁,有读锁 或者 持有写锁的线程不是当前线程
        if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
            return false;
        // 如果写锁数量超出了最大值,没啥说的,抛异常就完事儿了
        if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        // Reentrant acquire
        // 当前线程持有写锁,为重入锁,直接 +acquires 即可
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    // CAS 操作,确保修改值成功
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

如果对 ReentrantLock 比较熟的话,你会发现,上面的代码大部分都是见过的 有一点区别就是调用了 exclusiveCount 方法,看当前是否有写锁存在,接下来通过 c != 0 and w == 0 判断了当前是否有读锁存在

ReadLock 的具体实现

WriteLock 探究完了,接下来瞅瞅 ReadLock ,话不多说,直接上源码

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public void lock() {
    sync.acquireShared(1);
}

public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}

protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 写锁不等于 0 时,看看当前写锁是否在尝试获取读锁
    if (exclusiveCount(c) != 0 &&
        getExclusiveOwnerThread() != current)
        return -1;
    // 获取读锁数量
    int r = sharedCount(c);
    // 读锁不需要阻塞,而且读锁需要小于最大读锁数量,同时 cas 操作进行加 1 操作
    if (!readerShouldBlock() &&
        r < MAX_COUNT &&
        compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
        // 当前线程是第一个并且第一次获取读锁时
        if (r == 0) {
            firstReader = current;
            firstReaderHoldCount = 1;
        } else if (firstReader == current) {
            // 如果当前线程再次获取读锁,则直接进行 ++ 操作即可
            firstReaderHoldCount++;
        } else {
            // 当前线程不是第一个获取读锁的线程,就放入线程本地变量
            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);
}

看完有没有觉得和写锁那块挺像的,不同就在于因为是读锁嘛,所以只要没有写锁占用,而且读锁的数量没有超过最大的获取数量,就都可以获取读锁

在上面, firstReader firstReaderHoldCount cachedHoldCounter 都是为 readHolds 服务的,它是为了获取当前线程持有锁的数量,在 ThreadLocal 基础上添加了 Int 变量来统计,这样比较方便嘛

具体实现如下:

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static final class ThreadLocalHoldCounter
    extends ThreadLocal<HoldCounter> {
    public HoldCounter initialValue() {
        return new HoldCounter();
    }
}

static final class HoldCounter {
    // 当前线程持有锁的数量
    int count = 0;
    // Use id, not reference, to avoid garbage retention
    // 当前线程 ID
    final long tid = getThreadId(Thread.currentThread());
}

回到题目,手写一个读写锁出来?

接下来,再回到题目,如果面试官让手写一个读写锁出来,你会如何实现呢?

在读了源码之后,相信你心里应该有谱了

首先来个 state 变量,然后高 16 位设置为读锁数量,低 16 位设置为写锁数量低,然后在进行读锁时,先判断下是不是有写锁,如果没有,直接读取即可,如果有的话那就需要等待;在写锁想要拿到锁的时候,就要判断写锁和读锁是不是都存在了,如果存在那就等着,如果不存在才进行接下来的操作

在这里阿粉给出一个简单版的实现:

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 public static class ReadWrite{
    // 定义一个读写锁共享变量 state
    private int state = 0;

    // state 高 16 位为读锁数量
    private int getReadCount(){
        return state >>> 16;
    }

    // state 低 16 位为写锁数量
    private int getWriteCount(){
        return state & (( 1 << 16 ) - 1 );
    }

    // 获取读锁时,先判断是否有写锁
    // 如果有写锁,就等待
    // 如果没有,进行加 1 操作
    public synchronized void lockRead() throws InterruptedException{
        while ( getWriteCount() > 0){
            wait();
        }

        System.out.println("lockRead --- " + Thread.currentThread().getName());
        state = state + ( 1 << 16);
    }

    // 释放读锁数量减 1 ,通知其他线程
    public synchronized void unLockRead(){
        state = state - ( 1 << 16 );
        notifyAll();
    }

    // 获取写锁时需要判断读锁和写锁是否都存在,有则等待,没有则将写锁数量加 1
    public synchronized void lockWrite() throws InterruptedException{

        while (getReadCount() > 0 || getWriteCount() > 0) {
            wait();
        }
        System.out.println("lockWrite --- " + Thread.currentThread().getName());
        state ++;
    }

    // 释放写锁数量减 1 ,通知所有等待线程
    public synchronized void unlockWriters(){
        state --;
        notifyAll();
    }
}

阿粉自己测试了下,没啥大问题

但是如果细究的话,还是有问题的,就比如,如果现在我有好多个读锁,如果一直不释放的话,那么写锁是一直没办法获取到的,这样就造成了饥饿现象的产生嘛

解决的话也蛮好解决的,就是在上面添加一个记录写锁数量的变量,然后在读锁之前,去判断一下是否有线程要获取写锁,如果有的话,优先处理,没有的话再进行读锁操作

这块聪明的读者,就试试自己实现吧,阿粉这里就不给具体实现了

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