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Java 重入锁和读写锁的具体使用

程序员文章站 2022-07-06 17:20:05
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:...

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

Java 重入锁和读写锁的具体使用

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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