面试官:说说读写锁的底层实现?

大家好，我是磊哥，今天是一篇硬核文，请各位读者大大们系好安全带，马上要发车了。

晕车的朋友，可以先吃一颗阿星独家秘制的晕车药，童叟无欺，货真价实。

本文大纲如下

我的英文名叫 ReentrantReadWriteLock （后面简称 RRW ），大家喜欢叫我读写锁，因为我常年混迹在读多写少的场景。

读写锁规范

作为合格的读写锁，先要有读锁与写锁才行。

所以声明了ReadWriteLock接口，作为读写锁的基本规范。

之后都是围绕着规范去实现读锁与写锁。

读锁与写锁

WriteLock与ReadLock就是读锁和写锁，它们是RRW实现 ReadWriteLock 接口的产物。

但读锁、写锁也要遵守锁操作的基本规范。

所以WriteLock与ReadLock都实现了Lock接口。

那么WriteLock与ReadLock对Lock接口具体是如何实现的呢？

自然是少不了我们的老朋友AQS了。

AQS

众所周知，要实现锁的基本操作，必须要仰仗AQS老大哥了。

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）抽象类定义了一套多线程访问共享资源的同步模板，解决了实现同步器时涉及的大量细节问题，能够极大地减少实现工作，用大白话来说，AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，只有少量细节由子类自己决定。

AQS简化流程图如下

如果读者想深入AQS细节，可以看阿星的这篇文章：16张图揭开AQS

Sync

AQS为加锁和解锁过程提供了统一的模板函数，只有少量细节由子类自己决定，但是WriteLock与ReadLock没有直接去继承AQS。

因为WriteLock与ReadLock觉得，自己还要去继承AQS实现一些两者可以公用的抽象函数，不仅麻烦，还有重复劳动。

所以干脆单独提供一个对锁操作的类，由WriteLock与ReadLock持有使用，这个类叫Sync。

Sync继承AQS实现了如下的核心抽象函数

• tryAcquire
• release
• tryAcquireShared
• tryReleaseShared

其中tryAcquire、release是为WriteLock写锁准备的。

tryAcquireShared、tryReleaseShared是为ReadLock读锁准备的，这里阿星后面会说。

上面说了Sync实现了一些AQS的核心抽象函数，但是Sync本身也有一些重要的内容，看看下面这段代码

我们都知道AQS中维护了一个state状态变量，正常来说，维护读锁与写锁状态需要两个变量，但是为了节约资源，使用高低位切割实现state状态变量维护两种状态，即高16位表示读状态，低16位表示写状态。

关于读写锁状态设计具体细节可以看阿星的文章：ReentrantReadWriteLock的位运算

Sync中还定义了HoldCounter与ThreadLocalHoldCounter

• HoldCounter是用来记录读锁重入数的对象
• ThreadLocalHoldCounter是ThreadLocal变量，用来存放第一个获取读锁线程外的其他线程的读锁重入数对象

如果读者对ThreadLocal不太熟悉，可以去看阿星的文章: 保姆级教学，22张图揭开ThreadLocal

公平与非公平策略

你看，人家ReentrantLock都有公平与非公平策略，所以ReentrantReadWriteLock也要有。

什么是公平与非公平策略？

因为在AQS流程中，获取锁失败的线程，会被构建成节点入队到CLH队列，其他线程释放锁会唤醒CLH队列的线程重新竞争锁，如下图所示（简化流程）。

非公平策略是指，非CLH队列的线程与CLH队列的线程竞争锁，大家各凭本事，不会因为你是CLH队列的线程，排了很久的队，就把锁让给你。

公平策略是指，严格按照CLH队列顺序获取锁，一定会让CLH队列线程竞争成功，如果非CLH队列线程一直占用时间片，那就一直失败，直到时间片轮到CLH队列线程为止，所以公平策略的性能会更差。

回到正题，为了支持公平与非公平策略，Sync扩展了FairSync、NonfairSync子类，两个子类实现了readerShouldBlock、writerShouldBlock函数，即读锁与写锁是否阻塞。

readerShouldBlock、writerShouldBlock函数在什么地方使用阿星后面会说。

ReentrantReadWriteLock全局图

最后阿星把前面讲过的内容，全部组装起来，构成下面这张图。

有了全局观后，后面就可以深入细节逐个击破了。

后面我们只要攻破5个细节就够了，分别是读写锁的创建、获取写锁、释放写锁、获取读锁、释放读锁。

ReentrantReadWriteLock的创建

读写锁的创建，会初始化化一系列类，代码如下

ReentrantReadWriteLock默认是非公平策略，如果想用公平策略，可以直接调用有参构造器，传入true即可。

但不管是创建FairSync还是NonfairSync，都会触发Sync的无参构造器，因为Sync是它们的父类（本质上它们俩都是Sync）。

因为Sync需要提供给ReadLock与WriteLock使用，所以创建ReadLock与WriteLock时，会接收ReentrantReadWriteLock对象作为入参。

最后通过ReentrantReadWriteLock.sync把Sync交给了ReadLock与WriteLock。

获取写锁

我们遵守ReadWriteLock接口规范，调用ReentrantReadWriteLock.writeLock函数获取写锁对象。

获取到写锁对象后，遵守Lock接口规范，调用lock函数获取写锁。

WriteLock.lock函数是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。

sync.acquire(1)函数是AQS中的独占式获取锁流程模板（Sync继承自AQS）。

WriteLock.lock调用链如下图

我们只关注tryAcquire函数，其他函数是AQS的获取独占式锁失败后的流程内容，不属于本文范畴，tryAcquire函数代码如下

为了易于理解，阿星把它转成流程图

通过流程图，我们发现了一些要点

• 读写互斥
• 写写互斥
• 写锁支持同一个线程重入
• writerShouldBlock写锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync）

释放写锁

获取到写锁，临界区执行完，要记得释放写锁（如果重入多次要释放对应的次数），不然会阻塞其他线程的读写操作，调用unlock函数释放写锁（Lock接口规范）。

WriteLock.unlock函数也是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。

sync.release(1)执行的是AQS中的独占式释放锁流程模板（Sync继承自AQS）。

WriteLock.unlock调用链如下图

再来看看tryRelease函数，其他函数是AQS的释放独占式成功后的流程内容，不属于本文范畴，tryRelease函数代码如下

为了易于理解，阿星把它转成流程图

因为同一个线程可以对相同的写锁重入多次，所以也要释放的相同的次数。

获取读锁

我们遵守ReadWriteLock接口规范，调用ReentrantReadWriteLock.readLock函数获取读锁对象。

获取到读锁对象后，遵守Lock接口规范，调用lock函数获取读锁。

ReadLock.lock函数是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。

sync.acquireShared(1)函数执行的是AQS中的共享式获取锁流程模板（Sync继承自AQS）。

ReadLock.lock调用链如下图

我们只关注tryAcquireShared函数，doAcquireShared函数是AQS的获取共享式锁失败后的流程内容，不属于本文范畴，tryAcquireShared函数代码如下

代码还挺多的，为了易于理解，阿星把它转成流程图

通过流程图，我们发现了一些要点

• 读锁共享，读读不互斥
• 读锁可重入，每个获取读锁的线程都会记录对应的重入数
• 读写互斥，锁降级场景除外
• 支持锁降级，持有写锁的线程，可以获取读锁，但是后续要记得把读锁和写锁读释放
• readerShouldBlock读锁是否阻塞实现取决公平与非公平的策略（FairSync和NonfairSync）

释放读锁

获取到读锁，执行完临界区后，要记得释放读锁（如果重入多次要释放对应的次数），不然会阻塞其他线程的写操作，通过调用unlock函数释放读锁（Lock接口规范）。

ReadLock.unlock函数也是由Sync实现的（FairSync或NonfairSync）。

sync.releaseShared(1)函数执行的是AQS中的共享式释放锁流程模板（Sync继承自AQS）。

ReadLock.unlock调用链如下图

我们只关注tryReleaseShared函数，doReleaseShared函数是AQS的释放共享式锁成功后的流程内容，不属于本文范畴，tryReleaseShared函数代码如下

为了易于理解，阿星把它转成流程图

这里有三点需要注意

• 第一点：线程读锁的重入数与读锁数量是两个概念，线程读锁的重入数是每个线程获取同一个读锁的次数，读锁数量则是所有线程的读锁重入数总和。

• 第二点：AQS的共享式释放锁流程模板中，只有全部的读锁被释放了，才会去执行doReleaseShared函数

• 第三点：因为使用的是AQS共享式流程模板，如果CLH队列后面的线程节点都是因写锁阻塞的读锁线程节点，会传播唤醒

最后阿星做个小结，ReentrantReadWriteLock底层实现与ReentrantLock思路一致，它们都离不开AQS，都是声明一个继承AQS的Sync，并在Sync下扩展公平与非公平策略，后续的锁相关操作都委托给公平与非公平策略执行。

我们还发现，在AQS中除了独占式模板，还有共享式模板，它们在多线程访问共享资源的流程会有所差异，就如ReentrantReadWriteLock中读锁使用共享式，写锁使用独占式。

最后再捋一捋写锁与读锁的逻辑

1. 读读不阻塞
2. 写锁阻塞写之后的读写锁，但是不阻塞写锁之前的读锁线程
3. 写锁会被写之前的读写锁阻塞
4. 读锁节点唤醒会无条件传播唤醒CLH队列后面的读锁节点
5. 写锁可以降级为读锁，防止更新丢失
6. 读锁、写锁都支持重入

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