前言

在了解读写锁时，我们首先要明白什么是排他锁？在另个博客写有关于重入锁的测试，关于重入锁这些其实都属于排他锁，什么是排他锁呢？这种锁呢在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，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他锁有了很大提升。
除了保证写操作对读操作的可见性以及并发性的提升之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义了一个共享的用作缓存数据结构，它大部分时间提供读服务（例如查询和搜索），而写操作占有的时间很少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。
在没有读写锁支持的（java5之前）时候，如果需要完成上述工作就要使用Java的等待通知机制，就是当写操作开始时，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized关键字进行同步），这样做的目的是使读操作能读取到正确的数据，不会出现脏读。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时获取读锁，写操作时获取写锁即可。当写锁被获取到时，后续（非当前写操作线程）的读写操作都会被阻塞，写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式而言，变得简单明了（一句话：读的时候用读锁，写的时候用写锁）。
一般情况下，读写锁的性能都会比排他锁好，因为大多数场景读是多与写的，在读多与写的情况下，读写锁能够提供比排他锁更好的并发量和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock。

读写锁的特性

特性	说明
公平性选择	支持非公平（默认）和公平的锁获取方式，吞吐量还是非公平优于公平
重进入	该锁支持重进入，以读写线程为例：读线程在获取了读锁之后，能够再次获取读锁。而写线程在获取了写锁之后
锁降级	遵循获取写锁、获取读锁再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁

读写锁的接口与示例

ReadWriteLock仅定义了获取读锁和写锁的两个方法，即readLock()方法和writeLock()方法，而其实现---------ReentrantReadWriteLock,除了接口方法之外，还提供了一些便于外界监控其内部工作状态的方法，这些方法以为描述如下

方法名称	描述
int getReadLockCount()	返回当前读锁被获取的次数，该次数不等于获取读锁的线程数，例如，仅一个线程，它连续获取（重进入）了n次读锁，那么占据读锁的线程数是1，但该方法返回n
int getReadHoldCount()	返回当前线程获取读锁的次数，该方法在jdk6中加入到ReentrantReadWriteLock中，使用ThreadLocal保存当前线程获取的次数，这也使得Java6的实现变得更加复杂
boolean isWriteLocked()	判断写锁是否被获取
int getWriteHoldCount()	返回当前写锁被获取的次数

代码示例1

缓存使用读写锁案例

package readwritelock;import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;/*** @author liusupeng* @date 2021/7/21 23:16*/
public class Cache {static Map<String, Object> map = new HashMap<>();static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();static Lock w = rwl.writeLock();static Lock r = rwl.readLock();//获取一个key对应的valuepublic static final 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valuepublic static final 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 final void clear(){w.lock();try {map.clear();}finally {w.unlock();}}}

上述示例中，Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)方法中，需要获取读锁，这使得并发访问该方法时不会被阻塞。写操作Put(String key,Object value)方法和clear()方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当获取写锁后，其他线程对于读锁和写锁的获取均被阻塞，而只有写锁被释放之后，其他读写操作才能继续。Cache使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。

读写锁的实现分析

接下来分析ReentrantReadWriteLock的实现，主要包括：读写状态的设计、写锁的获取与释放以及锁降级（以下没有特别说明读写锁均可认为是ReentrantReadWriteLock).
1.读写状态的设计
读写锁同样依赖自定义同步器来实现同步功能，而读写状态就是其同步器的同步状态。回想ReentrantLock中自定义同步器的实现，同步状态表示锁被一个线程重复获取的次数，而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，使得该状态的设计成为读写锁实现的关键。
2.写锁的获取与释放
写锁是一个支持重进入的排他锁。如果当前线程已经获取了写锁，则添加写状态。如果当前线程在获取写锁时，读锁已经被获取（读状态不为0）或者该线程不是已经获取写锁的线程，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) {/** 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();int w = exclusiveCount(c);if (c != 0) {// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)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;}

该方法除了重入条件（当前线程为获取了写锁的过程）之外，增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁，则写锁不能被获取，原因在于：读写锁要确保写锁的操作对读锁可见，如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前线程的操作。因此，只有等待其他读线程都释放了读锁，写锁才能被当前线程获取，而写锁一旦被获取，则其他读写线程的后续访问均被阻塞。
写锁的释放与ReentrantLock的释放过程基本类似，每次释放均减少写状态，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。
3.读锁的获取与释放
读锁是一个支持冲进入的共享锁，它能够被多个线程同时获取，在没有其他写线程访问（或者写状态为0）时，读锁总会被成功的获取，而所做的也只是（线程安全的）增加读状态。如果当前线程已经获取了读锁，则增加读状态。如果当前线程在获取读锁时，写锁已被其他线程获取，则进入等待状态。获取读锁的实现从java5到java6变得复杂许多，主要原因是新增了一些功能，例如getReadHoldCount（）方法，作用是返回当前线程获取读锁的次数。读状态是所有线程获取读锁次数的总和，而每个线程各自获取读锁的次数只能选择保存在ThreadLocal中，由线程自身维护，这使获取读锁的实现变得复杂。因此，这里将获取读锁的代码做了删减，保留必要的部分。

 protected final int tryAcquireShared(int unused) {/** Walkthrough:* 1. If write lock held by another thread, fail.* 2. Otherwise, this thread is eligible for*    lock wrt state, so ask if it should block*    because of queue policy. If not, try*    to grant by CASing state and updating count.*    Note that step does not check for reentrant*    acquires, which is postponed to full version*    to avoid having to check hold count in*    the more typical non-reentrant case.* 3. If step 2 fails either because thread*    apparently not eligible or CAS fails or count*    saturated, chain to version with full retry loop.*/Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (exclusiveCount(c) != 0 &&getExclusiveOwnerThread() != current)return -1;int r = sharedCount(c);if (!readerShouldBlock() &&r < MAX_COUNT &&compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {if (r == 0) {firstReader = current;firstReaderHoldCount = 1;} else if (firstReader == current) {firstReaderHoldCount++;} else {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);}final int fullTryAcquireShared(Thread current) {/** This code is in part redundant with that in* tryAcquireShared but is simpler overall by not* complicating tryAcquireShared with interactions between* retries and lazily reading hold counts.*/HoldCounter rh = null;for (;;) {int c = getState();if (exclusiveCount(c) != 0) {if (getExclusiveOwnerThread() != current)return -1;// else we hold the exclusive lock; blocking here// would cause deadlock.} else if (readerShouldBlock()) {// Make sure we're not acquiring read lock reentrantlyif (firstReader == current) {// assert firstReaderHoldCount > 0;} else {if (rh == null) {rh = cachedHoldCounter;if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {rh = readHolds.get();if (rh.count == 0)readHolds.remove();}}if (rh.count == 0)return -1;}}if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)throw new Error("Maximum lock count exceeded");if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {if (sharedCount(c) == 0) {firstReader = current;firstReaderHoldCount = 1;} else if (firstReader == current) {firstReaderHoldCount++;} else {if (rh == null)rh = cachedHoldCounter;if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))rh = readHolds.get();else if (rh.count == 0)readHolds.set(rh);rh.count++;cachedHoldCounter = rh; // cache for release}return 1;}}}

在该方法中，如果其他线程已经获取了写锁，则当前线程获取读锁失败，进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取，则当前线程（线程安全，依靠CAS保证）增加读状态，成功获取读锁。
读锁的每次释放（线程安全的，可能有多个读线程同时释放读锁）均减少读状态，减少值（1<<16）
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(当前拥有的)写锁,在获取到读锁,随后释放(先前拥有的)写锁的过程.
接下来看一个锁降级的示例,因为数据不常变化,所以多个线程可以并发的进行数据处理,当数据变更后,如果当前线程感知到数据变化,则进行数据的准备工作,同时其他处理线程被阻塞,知道当前线程完成数据的准备工作.

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