java 锁(七):独享锁VS共享锁

独享锁和共享锁同样是一种概念。我们先介绍一下具体的概念,然后通过ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock的源码来介绍独享锁和共享锁。

独享锁也叫排他锁,是指该锁一次只能被一个线程锁持有。如果线程T对数据A加上排他锁后,则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排他锁的线程既能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后,则其他线程只能对A再加共享锁,不能加排他锁。获得共享锁的线程只能读数据,不能修改数据。

独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。

下图为ReentrantReadWriteLock的部分源码:


image.png

我们看到ReentrantReadWriterLock有两把锁:ReadLock和WriterLock,由词知意,一个读锁一个写锁,合称“读写锁”。再进一步观察可以发现ReadLock和WriterLock是靠内部Sync实现的锁。Sync是AQS的一个子类,这种结构在CountDownLatch、ReentrantLock、Semaphore里面也都存在。

在ReentrantReadWriterLock里面,读锁和写锁的主体都是Sync,但读锁和写锁的加锁方式不一样。读锁是共享锁,写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读非常高效,而读写、写读、写写的过程互斥,因为读锁和写锁是分离的。所以ReentrantReadWriterLock并发性相比一般的互斥锁有了很大提升。

那读锁和写锁的具体加锁方式有什么区别呢?在连接源码之前我们需要回顾一下其他知识。在最开始提及AQS的时候我们也提到了state字段(int类型, 32位),该字段用来描述有多少线程获持有锁。

在独享锁中这个值通常是0或者1(如果是重入锁的话state值就是重入的次数),在共享锁中state就是持有锁的数量。但是在ReentrantReadWriterLock中有读、写两把锁,所以需要在一个整型变量state上分别描述读锁和写锁的数量(或者也可以叫状态)。于是state变量“按位切割”切成了两个部分,高16位表示读锁状态(读锁个数),低16位表示写锁状态(写锁个数)。如下图所示:


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了解了概念之后我们再来看代码,先看写锁的加锁源码:


image.png

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这段代码首先取到当前锁的个数c,然后再通过c来获取写锁的个数w。因为写锁是低16位,所以取低16位的最大值与当前的c做运算,高16位和0运算后是0,剩下的就是低位运算的值,同时也是持有写锁的线程数目。

在取得写锁线程的数目后,首先判断是否已经有线程持有了锁。如果已经有线程持有了锁(c != 0),则查看当前写锁线程的数目,如果写锁线程数为0(即此时存在读锁)或者持有锁的线程不是当前线程就返回失败(涉及到公平锁和非公平锁的实现)。
如果写入锁的数量大于最大数(65525,2的16次方-1)就抛出一个Error。
如果当且当写线程数为0(那么读线程也应该为0,因为上面已经处理了c!=0的情况),并且当前线程需要阻塞那么久返回失败;如果通过CAS增加写线程数失败也返回失败。
如果c=0,w=0或者c>0,w>0(重入),则设置当前线程或锁的拥有者,返回成功!

TryAcquire()除了重入条件(当前线程为获取了写锁的线程)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:必须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,那么这种运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。

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表示写锁已被释放,然后等待的读写线程才能够继续访问读写锁,同时前次写线程的修改对后续的读写线程可见。

接着是读锁的代码:


image.png

可以看到在tryAcquireShare(in unused)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,可能有多个线程同时释放读锁)均减少读状态,减少的值是“1<<16”。所以读写锁才能实现读读的过程共享,而读写、写读、写写的过程互斥。

此时,我们再回头看一下互斥锁ReentrantLock中公平锁和非公平锁的加锁源码:


image.png

我们发现在ReentrantLock虽然有公平锁和非公平锁两种,但是它们添加的都是独享锁。根据源码显示,当某一线程调用lock方法获取锁时,如果同步资源没有被其他线程锁住,那么当前线程在使用CAS更新state成功后就会成功抢占该资源。而如果公共资源被占用且不是当前线程占用,那么就会加锁失败。所以可以确定ReentrantLock无论读操作还是写操作,添加的锁都是独享锁。

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