概要

Java的JUC(java.util.concurrent)包中的锁包括”独占锁”和”共享锁”。在“Java多线程系列–“JUC锁”02之 互斥锁ReentrantLock ” 中，对Java的独占锁进行了说明。本章对Java的“共享锁”进行介绍，JUC中的共享锁有CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore, ReentrantReadWriteLock等；本章会以ReentrantReadWriteLock为蓝本对共享锁进行说明。内容包括：
ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍
ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表
ReentrantReadWriteLock数据结构
参考代码(基于JDK1.7.0_40)
  获取共享锁
  释放共享锁
  公平共享锁和非公平共享锁
ReentrantReadWriteLock示例

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ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock介绍

ReadWriteLock，顾名思义，是读写锁。它维护了一对相关的锁 — — “读取锁”和“写入锁”，一个用于读取操作，另一个用于写入操作。
“读取锁”用于只读操作，它是“共享锁”，能同时被多个线程获取。
“写入锁”用于写入操作，它是“独占锁”，写入锁只能被一个线程锁获取。
注意：不能同时存在读取锁和写入锁！
ReadWriteLock是一个接口。ReentrantReadWriteLock是它的实现类，ReentrantReadWriteLock包括子类ReadLock和WriteLock。

ReadWriteLock 和 ReentrantReadWriteLock函数列表

ReadWriteLock函数列表

// 返回用于读取操作的锁。 Lock readLock() // 返回用于写入操作的锁。 Lock writeLock()

ReentrantReadWriteLock函数列表

// 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock，默认是采用“非公平策略”。 ReentrantReadWriteLock() // 创建一个新的 ReentrantReadWriteLock，fair是“公平策略”。fair为true，意味着公平策略；否则，意味着非公平策略。 ReentrantReadWriteLock(boolean fair) // 返回当前拥有写入锁的线程，如果没有这样的线程，则返回 null。 protected Thread getOwner() // 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取锁的线程。 protected Collection<Thread> getQueuedReaderThreads() // 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取读取或写入锁的线程。 protected Collection<Thread> getQueuedThreads() // 返回一个 collection，它包含可能正在等待获取写入锁的线程。 protected Collection<Thread> getQueuedWriterThreads() // 返回等待获取读取或写入锁的线程估计数目。 int getQueueLength() // 查询当前线程在此锁上保持的重入读取锁数量。 int getReadHoldCount() // 查询为此锁保持的读取锁数量。 int getReadLockCount() // 返回一个 collection，它包含可能正在等待与写入锁相关的给定条件的那些线程。 protected Collection<Thread> getWaitingThreads(Condition condition) // 返回正等待与写入锁相关的给定条件的线程估计数目。 int getWaitQueueLength(Condition condition) // 查询当前线程在此锁上保持的重入写入锁数量。 int getWriteHoldCount() // 查询是否给定线程正在等待获取读取或写入锁。 boolean hasQueuedThread(Thread thread) // 查询是否所有的线程正在等待获取读取或写入锁。 boolean hasQueuedThreads() // 查询是否有些线程正在等待与写入锁有关的给定条件。 boolean hasWaiters(Condition condition) // 如果此锁将公平性设置为 ture，则返回 true。 boolean isFair() // 查询是否某个线程保持了写入锁。 boolean isWriteLocked() // 查询当前线程是否保持了写入锁。 boolean isWriteLockedByCurrentThread() // 返回用于读取操作的锁。 ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock() // 返回用于写入操作的锁。 ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock()

ReentrantReadWriteLock数据结构

ReentrantReadWriteLock的UML类图如下：

从中可以看出：

(01) ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。ReadWriteLock是一个读写锁的接口，提供了”获取读锁的readLock()函数” 和 “获取写锁的writeLock()函数”。
(02) ReentrantReadWriteLock中包含：sync对象，读锁readerLock和写锁writerLock。 读锁ReadLock和写锁WriteLock都实现了Lock接口。读锁ReadLock和写锁WriteLock中也都分别包含了”Sync对象”， 它们的Sync对象和ReentrantReadWriteLock的Sync对象 是一样的，就是通过sync，读锁和写锁实现了对同一个对象的访问。
(03) 和”ReentrantLock”一样，sync是Sync类型；而且，Sync也是一个继承于AQS的抽象类。Sync也包括”公平 锁”FairSync和”非公平锁”NonfairSync。sync对象是”FairSync”和”NonfairSync”中的一个，默认 是”NonfairSync”。

参考代码(基于JDK1.7.0_40)

ReentrantReadWriteLock的完整源码

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AQS的完整源码

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其中，共享锁源码相关的代码如下：

public static class ReadLock implements Lock, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -5992448646407690164L; // ReentrantReadWriteLock的AQS对象 private final Sync sync; protected ReadLock(ReentrantReadWriteLock lock) { sync = lock.sync; } // 获取“共享锁” public void lock() { sync.acquireShared(1); } // 如果线程是中断状态，则抛出一场，否则尝试获取共享锁。 public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { sync.acquireSharedInterruptibly(1); } // 尝试获取“共享锁” public boolean tryLock() { return sync.tryReadLock(); } // 在指定时间内，尝试获取“共享锁” public boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return sync.tryAcquireSharedNanos(1, unit.toNanos(timeout)); } // 释放“共享锁” public void unlock() { sync.releaseShared(1); } // 新建条件 public Condition newCondition() { throw new UnsupportedOperationException(); } public String toString() { int r = sync.getReadLockCount(); return super.toString() + "[Read locks = " + r + "]"; } }

说明：
ReadLock 中的sync是一个Sync对象，Sync继承于AQS类，即Sync就是一个锁。ReentrantReadWriteLock中也有一个Sync对 象，而且ReadLock中的sync和ReentrantReadWriteLock中的sync是对应关系。即 ReentrantReadWriteLock和ReadLock共享同一个AQS对象，共享同一把锁。
ReentrantReadWriteLock中Sync的定义如下：

final Sync sync;

下面，分别从“获取共享锁”和“释放共享锁”两个方面对共享锁进行说明。

获取共享锁

获取共享锁的思想(即lock函数的步骤)，是先通过 tryAcquireShared()尝试获取共享锁。尝试成功的话，则直接返回；尝试失败的话，则通过doAcquireShared()不断的循环并 尝试获取锁，若有需要，则阻塞等待。doAcquireShared()在循环中每次尝试获取锁时，都是通过tryAcquireShared()来进行 尝试的。下面看看“获取共享锁”的详细流程。

1. lock()

lock()在ReadLock中，源码如下：

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

2. acquireShared()

Sync继承于AQS，acquireShared()定义在AQS中。源码如下：

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

说明：acquireShared()首先会通过tryAcquireShared()来尝试获取锁。
尝试成功的话，则不再做任何动作(因为已经成功获取到锁了)。
尝试失败的话，则通过doAcquireShared()来获取锁。doAcquireShared()会获取到锁了才返回。

3. tryAcquireShared()

tryAcquireShared()定义在ReentrantReadWriteLock.java的Sync中，源码如下：

protected final int tryAcquireShared(int unused) { Thread current = Thread.currentThread(); // 获取“锁”的状态 int c = getState(); // 如果“锁”是“互斥锁”，并且获取锁的线程不是current线程；则返回-1。 if (exclusiveCount(c) != 0 && getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 获取“读取锁”的共享计数 int r = sharedCount(c); // 如果“不需要阻塞等待”，并且“读取锁”的共享计数小于MAX_COUNT； // 则通过CAS函数更新“锁的状态”，将“读取锁”的共享计数+1。 if (!readerShouldBlock() && r < MAX_COUNT && compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 第1次获取“读取锁”。 if (r == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程 } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { // HoldCounter是用来统计该线程获取“读取锁”的次数。 HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) cachedHoldCounter = rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 将该线程获取“读取锁”的次数+1。 rh.count++; } return 1; } return fullTryAcquireShared(current); }

说明：tryAcquireShared()的作用是尝试获取“共享锁”。
如果在尝试获取锁时，“不需要阻塞等待”并且“读取锁的共享计数小于MAX_COUNT”，则直接通过CAS函数更新“读取锁的共享计数”，以及将“当前线程获取读取锁的次数+1”。
否则，通过fullTryAcquireShared()获取读取锁。

4. fullTryAcquireShared()

fullTryAcquireShared()在ReentrantReadWriteLock中定义，源码如下：

final int fullTryAcquireShared(Thread current) { HoldCounter rh = null; for (;;) { // 获取“锁”的状态 int c = getState(); // 如果“锁”是“互斥锁”，并且获取锁的线程不是current线程；则返回-1。 if (exclusiveCount(c) != 0) { if (getExclusiveOwnerThread() != current) return -1; // 如果“需要阻塞等待”。 // (01) 当“需要阻塞等待”的线程是第1个获取锁的线程的话，则继续往下执行。 // (02) 当“需要阻塞等待”的线程获取锁的次数=0时，则返回-1。 } else if (readerShouldBlock()) { // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程 if (firstReader == current) { } else { if (rh == null) { rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) { rh = readHolds.get(); if (rh.count == 0) readHolds.remove(); } } // 如果当前线程获取锁的计数=0,则返回-1。 if (rh.count == 0) return -1; } } // 如果“不需要阻塞等待”，则获取“读取锁”的共享统计数； // 如果共享统计数超过MAX_COUNT，则抛出异常。 if (sharedCount(c) == MAX_COUNT) throw new Error("Maximum lock count exceeded"); // 将线程获取“读取锁”的次数+1。 if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) { // 如果是第1次获取“读取锁”，则更新firstReader和firstReaderHoldCount。 if (sharedCount(c) == 0) { firstReader = current; firstReaderHoldCount = 1; // 如果想要获取锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程， // 则将firstReaderHoldCount+1。 } else if (firstReader == current) { firstReaderHoldCount++; } else { if (rh == null) rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) rh = readHolds.get(); else if (rh.count == 0) readHolds.set(rh); // 更新线程的获取“读取锁”的共享计数 rh.count++; cachedHoldCounter = rh; // cache for release  } return 1; } } }

说明：fullTryAcquireShared()会根据“是否需要阻塞等待”，“读取锁的共享计数是否超过限制”等等进行处理。如果不需要阻塞等待，并且锁的共享计数没有超过限制，则通过CAS尝试获取锁，并返回1。

5. doAcquireShared()

doAcquireShared()定义在AQS函数中，源码如下：

private void doAcquireShared(int arg) { // addWaiter(Node.SHARED)的作用是，创建“当前线程”对应的节点，并将该线程添加到CLH队列中。 final Node node = addWaiter(Node.SHARED); boolean failed = true; try { boolean interrupted = false; for (;;) { // 获取“node”的前一节点 final Node p = node.predecessor(); // 如果“当前线程”是CLH队列的表头，则尝试获取共享锁。 if (p == head) { int r = tryAcquireShared(arg); if (r >= 0) { setHeadAndPropagate(node, r); p.next = null; // help GC if (interrupted) selfInterrupt(); failed = false; return; } } // 如果“当前线程”不是CLH队列的表头，则通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否需要等待， // 需要的话，则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。若阻塞等待过程中，线程被中断过，则设置interrupted为true。 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) interrupted = true; } } finally { if (failed) cancelAcquire(node); } }

说明：doAcquireShared()的作用是获取共享锁。
它会首先创建线程对应的CLH队列的节点，然后将该节点添加到CLH队列中。CLH队列是管理获取锁的等待线程的队列。
如果“当前线程”是CLH队列的表头，则尝试获取共享锁；否则，则需要通过shouldParkAfterFailedAcquire()判断是否阻塞等待，需要的话，则通过parkAndCheckInterrupt()进行阻塞等待。
doAcquireShared()会通过for循环，不断的进行上面的操作；目的就是获取共享锁。需要注意的是：doAcquireShared()在每一次尝试获取锁时，是通过tryAcquireShared()来执行的！

shouldParkAfterFailedAcquire(), parkAndCheckInterrupt()等函数已经在“Java多线程系列–“JUC锁”03之 公平锁(一) ”中详细介绍过，这里就不再重复说明了。

释放共享锁

释放共享锁的思想，是先通过tryReleaseShared()尝试释放共享锁。尝试成功的话，则通过doReleaseShared()唤醒“其他等待获取共享锁的线程”，并返回true；否则的话，返回flase。

1. unlock()

public  void unlock() { sync.releaseShared(1); }

说明：该函数实际上调用releaseShared(1)释放共享锁。

2. releaseShared()

releaseShared()在AQS中实现，源码如下：

public final boolean releaseShared(int arg) { if (tryReleaseShared(arg)) { doReleaseShared(); return true; } return false; }

说明：releaseShared()的目的是让当前线程释放它所持有的共享锁。
它首先会通过tryReleaseShared()去尝试释放共享锁。尝试成功，则直接返回；尝试失败，则通过doReleaseShared()去释放共享锁。

3. tryReleaseShared()

tryReleaseShared()定义在ReentrantReadWriteLock中，源码如下：

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) { // 获取当前线程，即释放共享锁的线程。 Thread current = Thread.currentThread(); // 如果想要释放锁的线程(current)是第1个获取锁(firstReader)的线程， // 并且“第1个获取锁的线程获取锁的次数”=1，则设置firstReader为null； // 否则，将“第1个获取锁的线程的获取次数”-1。 if (firstReader == current) { // assert firstReaderHoldCount > 0; if (firstReaderHoldCount == 1) firstReader = null; else firstReaderHoldCount--; // 获取rh对象，并更新“当前线程获取锁的信息”。 } else { HoldCounter rh = cachedHoldCounter; if (rh == null || rh.tid != current.getId()) rh = readHolds.get(); int count = rh.count; if (count <= 1) { readHolds.remove(); if (count <= 0) throw unmatchedUnlockException(); } --rh.count; } for (;;) { // 获取锁的状态 int c = getState(); // 将锁的获取次数-1。 int nextc = c - SHARED_UNIT; // 通过CAS更新锁的状态。 if (compareAndSetState(c, nextc)) return nextc == 0; } }

说明：tryReleaseShared()的作用是尝试释放共享锁。

4. doReleaseShared()

doReleaseShared()定义在AQS中，源码如下：

private void doReleaseShared() { for (;;) { // 获取CLH队列的头节点 Node h = head; // 如果头节点不为null，并且头节点不等于tail节点。 if (h != null && h != tail) { // 获取头节点对应的线程的状态 int ws = h.waitStatus; // 如果头节点对应的线程是SIGNAL状态，则意味着“头节点的下一个节点所对应的线程”需要被unpark唤醒。 if (ws == Node.SIGNAL) { // 设置“头节点对应的线程状态”为空状态。失败的话，则继续循环。 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0)) continue; // 唤醒“头节点的下一个节点所对应的线程”。  unparkSuccessor(h); } // 如果头节点对应的线程是空状态，则设置“文件点对应的线程所拥有的共享锁”为其它线程获取锁的空状态。 else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE)) continue; // loop on failed CAS  } // 如果头节点发生变化，则继续循环。否则，退出循环。 if (h == head) // loop if head changed break; } }

说明：doReleaseShared()会释放“共享锁”。它会从前往后的遍历CLH队列，依次“唤醒”然后“执行”队列中每个节点对应的线程；最终的目的是让这些线程释放它们所持有的锁。

公平共享锁和非公平共享锁

和互斥锁ReentrantLock一样，ReadLock也分为公平锁和非公平锁。

公平锁和非公平锁的区别，体现在判断是否需要阻塞的函数readerShouldBlock()是不同的。
公平锁的readerShouldBlock()的源码如下：

final boolean readerShouldBlock() { return hasQueuedPredecessors(); }

在公平共享锁中，如果在当前线程的前面有其他线程在等待获取共享锁，则返回true；否则，返回false。
非公平锁的readerShouldBlock()的源码如下：

final boolean readerShouldBlock() { return apparentlyFirstQueuedIsExclusive(); }

在非公平共享锁中，它会无视当前线程的前面是否有其他线程在等待获取共享锁。只要该非公平共享锁对应的线程不为null，则返回true。

ReentrantReadWriteLock示例

 1 import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;  2 import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;  3  4 public class ReadWriteLockTest1 {  5  6 public static void main(String[] args) {  7 // 创建账户  8 MyCount myCount = new MyCount("4238920615242830", 10000);  9 // 创建用户，并指定账户 10 User user = new User("Tommy", myCount); 11 12 // 分别启动3个“读取账户金钱”的线程 和 3个“设置账户金钱”的线程 13 for (int i=0; i<3; i++) { 14  user.getCash(); 15 user.setCash((i+1)*1000); 16  } 17  } 18 } 19 20 class User { 21 private String name; //用户名 22 private MyCount myCount; //所要操作的账户 23 private ReadWriteLock myLock; //执行操作所需的锁对象 24 25  User(String name, MyCount myCount) { 26 this.name = name; 27 this.myCount = myCount; 28 this.myLock = new ReentrantReadWriteLock(); 29  } 30 31 public void getCash() { 32 new Thread() { 33 public void run() { 34  myLock.readLock().lock(); 35 try { 36 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash start"); 37  myCount.getCash(); 38 Thread.sleep(1); 39 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash end"); 40 } catch (InterruptedException e) { 41 } finally { 42  myLock.readLock().unlock(); 43  } 44  } 45  }.start(); 46  } 47 48 public void setCash(final int cash) { 49 new Thread() { 50 public void run() { 51  myLock.writeLock().lock(); 52 try { 53 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash start"); 54  myCount.setCash(cash); 55 Thread.sleep(1); 56 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash end"); 57 } catch (InterruptedException e) { 58 } finally { 59  myLock.writeLock().unlock(); 60  } 61  } 62  }.start(); 63  } 64 } 65 66 class MyCount { 67 private String id; //账号 68 private int cash; //账户余额 69 70 MyCount(String id, int cash) { 71 this.id = id; 72 this.cash = cash; 73  } 74 75 public String getId() { 76 return id; 77  } 78 79 public void setId(String id) { 80 this.id = id; 81 } 82 83 public int getCash() { 84 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" getCash cash="+ cash); 85 return cash; 86 } 87 88 public void setCash(int cash) { 89 System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" setCash cash="+ cash); 90 this.cash = cash; 91 } 92 }

运行结果：

Thread-0 getCash start
Thread-2 getCash start Thread-0 getCash cash=10000 Thread-2 getCash cash=10000 Thread-0 getCash end Thread-2 getCash end Thread-1 setCash start Thread-1 setCash cash=1000 Thread-1 setCash end Thread-3 setCash start Thread-3 setCash cash=2000 Thread-3 setCash end Thread-4 getCash start Thread-4 getCash cash=2000 Thread-4 getCash end Thread-5 setCash start Thread-5 setCash cash=3000 Thread-5 setCash end

结果说明：
(01) 观察Thread0和Thread-2的运行结果，我们发现，Thread-0启动并获取到“读取锁”，在它还没运行完毕的时候，Thread-2也启动了并且也成功获取到“读取锁”。
因此，“读取锁”支持被多个线程同时获取。
(02) 观察Thread-1,Thread-3,Thread-5这三个“写入锁”的线程。只要“写入锁”被某线程获取，则该线程运行完毕了，才释放该锁。
因此，“写入锁”不支持被多个线程同时获取。