JUC - 共享模型之读写锁

AQS 原理

概述

全称是 AbstractQueuedSynchronizer，是阻塞式锁和相关的同步器工具的框架，是一个抽象同步队列器，它的作用是提供一个框架，简化程序员对锁，同步控制工具的开发。如果从零开发一个可重入的独占锁，程序员至少需要做以下的处理，先尝试获取锁，如果获取锁失败，则线程进入阻塞，等待「释放锁线程」唤醒，而有了 AQS，程序员只需要继承 AQS 类，实现「尝试获取锁」方法，实现「尝试获取锁」，就可以轻松实现可重入独占锁了。

平时经常用到的 ReentrantLock，CountDownLatch 等都是基于它来实现的。

特点：

用 state 属性来表示资源的状态，状态分为独占模式和共享模式，独占式和共享式的最大不同就是在同一时刻能否有多个线程获取同步状态。

子类继承 AQS 后，需要定义如何维护这个状态，控制如何获取锁和释放锁：
- getState()：获取 state 状态，一般用于获取 state，判断是否是解锁还是加锁状态
- setState()：设置 state 状态，释放锁是，修改状态（没线程争抢获取锁）
- compareAndSetState()：cas 机制设置 state 状态，加锁时，修改状态（有线程争抢获取锁）
- 独占模式是只有一个线程能够访问资源，而共享模式可以允许多个线程访问资源
提供了基于 FIFO（先进先出）的等待队列，类似于 Monitor 的 EntryList
条件变量来实现等待、唤醒机制，支持多个条件变量，类似于 Monitor 的 WaitSet

子类继承 AbstractQueuedSynchronizer 后，主要实现这样一些方法（方法默认抛出 UnsupportedOperationException）

tryAcquire
tryRelease
tryAcquireShared
tryReleaseShared
isHeldExclusively

获取锁的姿势：

java

// 如果获取锁失败
if (!tryAcquire(arg)) {
    // 入队, 可以选择阻塞当前线程 park unpark
}

释放锁的姿势：

java

// 如果释放锁成功
if (tryRelease(arg)) {
    // 让阻塞线程恢复运行
}

实现不可重入锁

不可重入锁：持有锁的线程再次调用加锁方法，自己也会被当作没拿到锁的线程处理，即自己也被锁住，导致无法往下运行。

可重入锁：持有锁的线程再次调用加锁方法，因为已经持有锁，所以直接通过往下执行。

自定义同步器

MySync 继承 AbstractQueuedSynchronizer

java

// status 为 0：解锁，1：加锁
final class MySync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    // 尝试获取锁
    @Override
    protected boolean tryAcquire(int acquires) {
        if (acquires == 1){
            if (compareAndSetState(0, 1)) {
                // 将锁给当前线程
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    // 尝试释放锁
    @Override
    protected boolean tryRelease(int acquires) {
        if(acquires == 1) {
            if(getState() == 0) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
            // 将锁的对象改为 null，即释放锁
            setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(0);
            return true;
        }
        return false;
    }
    protected Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }
    // 锁是否被持有
    @Override
    protected boolean isHeldExclusively() {
        return getState() == 1;
    }
}

注意 23 - 24 行的两行代码不能交换，因为 state 是 volatile 修饰，有写屏障让 setState(0) 以及上面的代码保证不发生指令重排。

自定义锁

有了自定义同步器，很容易复用 AQS ，实现一个功能完备的自定义锁

java

class MyLock implements Lock {
    static MySync sync = new MySync();
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，可打断
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        sync.acquireInterruptibly(1);
    }
    @Override
    // 尝试一次，不成功返回，不进入队列
    public boolean tryLock() {
        return sync.tryAcquire(1);
    }
    @Override
    // 尝试，不成功，进入等待队列，有时限
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        return sync.tryAcquireNanos(1, unit.toNanos(time));
    }
    @Override
    // 释放锁
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }
    @Override
    // 生成条件变量
    public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
}

测试

java

public static void main(String[] args) {
    MyLock lock = new MyLock();

    new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("locking...");
            sleep(1);
        } finally {
            log.debug("unlocking...");
            lock.unlock();
        }
    },"t1").start();

    new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("locking...");
        } finally {
            log.debug("unlocking...");
            lock.unlock();
        }
    },"t2").start();
}

输出

java

22:29:28.727 c.TestAqs [t1] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t1] - unlocking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - locking...
22:29:29.732 c.TestAqs [t2] - unlocking...

体验不可重入

如果改为下面代码，会发现自己也会被挡住（只会打印一次 locking），这就是不可重入，即自己拿到了锁，但是再调用一次 lock 方法，自己也被锁住。

java

lock.lock();
log.debug("locking...");
lock.lock();
log.debug("locking...");

心得

起源

早期程序员会自己通过一种同步器去实现另一种相近的同步器，例如用可重入锁去实现信号量，或反之。这显然不够优雅，于是在 JSR166（Java 规范提案）中创建了 AQS，提供了这种通用的同步器机制。

目标

AQS 要实现的功能目标：

阻塞版本获取锁 acquire 和非阻塞的版本尝试获取锁 tryAcquire
获取锁超时机制
通过打断取消机制
独占机制及共享机制
条件不满足时的等待机制

设计

AQS 的基本思想其实很简单。

获取锁的逻辑：

java

while(state 状态不允许获取) {
    if(队列中还没有此线程) {
        入队并阻塞
    }
}
当前线程出队获取锁

释放锁的逻辑：

java

if(state 状态允许了) {
    恢复阻塞的线程(s)
}

要点：

原子维护 state 状态
阻塞及恢复线程
维护队列

state 设计

state 使用 volatile 配合 cas 保证其修改时的原子性
state 使用了 32bit int 来维护同步状态，因为当时使用 long 在很多平台下测试的结果并不理想

阻塞恢复设计

早期的控制线程暂停和恢复的 API 有 suspend 和 resume，但它们必须按顺序调用的（先 suspend 再 resume），因为如果先调用的 resume 那么 suspend 将感知不到。

解决方法是使用 park & unpark 来实现线程的暂停和恢复，具体原理在之前讲过了，先 unpark 再 park 也没问题。

park & unpark 是针对线程的，而不是针对同步器的，因此控制粒度更为精细，而且 park 线程还可以通过 interrupt 打断。

队列设计

使用了 FIFO 先入先出队列，并不支持优先级队列
设计时借鉴了 CLH 队列，它是一种单向无锁队列

队列中有 head 和 tail 两个指针节点，都用 volatile 修饰配合 cas 使用，每个节点有 state 维护节点状态。

入队伪代码，只需要考虑 tail 赋值的原子性

java

do {
    // 原来的 tail
    Node prev = tail;
    // 用 cas 在原来 tail 的基础上改为 node
} while(tail.compareAndSet(prev, node))

出队伪代码

java

// prev 是上一个节点
while((Node prev=node.prev).state != 唤醒状态) {
}
// 设置头节点
head = node;

CLH 好处：

无锁，使用自旋
快速，无阻塞

AQS 在一些方面改进了 CLH

java

private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        // 队列中还没有元素 tail 为 null
        if (t == null) {
            // 将 head 从 null -> dummy
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            // 将 node 的 prev 设置为原来的 tail
            node.prev = t;
            // 将 tail 从原来的 tail 设置为 node
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                // 原来 tail 的 next 设置为 node
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}

主要用到 AQS 的并发工具类：

ReentrantLock 原理

非公平锁实现原理

原理视频地址有三个，分别是 P239、P240、P241，这里提供 P239：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=239。

加锁解锁流程

先从构造器开始看，默认为非公平锁实现

java

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

NonfairSync 继承自 AQS。

没有竞争时

第一个竞争出现时

java

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

看代码，Thread-1 执行了：

CAS 尝试将 state 由 0 改为 1，结果失败，因为 state 已经由 thread-0 变成 1
进入 tryAcquire 逻辑，再次尝试由 0 改为 1，这时 state 已经是 1，结果仍然失败
接下来进入 addWaiter 逻辑，构造两个 Node 队列，放入阻塞队列里
- 下图中黄色三角表示该 Node 的 waitStatus 状态，其中 0 为默认正常状态
- Node 的创建是懒惰的
- 其中第一个 Node 称为 Dummy（哑元）或哨兵，用来占位，关联 head（后面提到的 head 就是指第一个 Node），并不关联线程，后面第二个 Node 才是关联线程

java

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

看代码，当前线程进入 acquireQueued 逻辑

acquireQueued 会在一个死循环中不断尝试获得锁，失败后进入 park 阻塞
获取自己的前驱节点 p，如果 p 紧邻 head，那么再次 tryAcquire 尝试获取锁，当然这时 state 仍为 1，失败
进入 shouldParkAfterFailedAcquire 逻辑，将前驱节点 Node（没有关联线程的节点）的 waitStatus 改为 -1，-1 代表这个前驱节点 Node 需要在后面唤醒第二个 Node（绑定线程的 Node），不然如果没有前驱节点，那么绑定线程的节点 Node 由谁唤醒呢？然后返回 false，没有进入 if

shouldParkAfterFailedAcquire 执行完毕回到 acquireQueued（因为 false），再次 tryAcquire 尝试获取锁，当然这时 state 仍为 1，失败
当再次进入 shouldParkAfterFailedAcquire 时，这时因为其前驱 Node 的 waitStatus 已经是 -1，这次返回 true
进入 parkAndCheckInterrupt，阻塞线程，Thread-1 park（灰色表示）

java

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this);
    return Thread.interrupted();
}

再次有多个线程经历上述过程竞争失败，变成这个样子（灰色表示）：

java

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

Thread-0 释放锁，进入 tryRelease 流程，如果状态 c 等于 0，代表成功，则：

设置 exclusiveOwnerThread 为 null
state = 0

java

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
    int ws = node.waitStatus;
    if (ws < 0)
        compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
    Node s = node.next;
    if (s == null || s.waitStatus > 0) {
        s = null;
        for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0)
                s = t;
    }
    if (s != null)
        LockSupport.unpark(s.thread);
}

获取前驱节点 p（图中虽然是指向，但是可以看作等价于 head），当前队列不为 null，并且 head 的 waitStatus = -1，进入 unparkSuccessor 流程。

找到队列中离 head 最近的一个 Node（没取消的），unpark 恢复其运行，本例中即为 Thread-1（上图，第一个灰色的）。

回到 Thread-1 的 acquireQueued 流程。

java

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

如果加锁成功（没有竞争），会设置

exclusiveOwnerThread 为 Thread-1（获得锁），state = 1
head 指向刚刚 Thread-1 所在的 Node，该 Node 清空 Thread
原本的第一个 Node 因为从链表断开，而可被垃圾回收

如果这时候有其它线程来竞争（非公平的体现），例如这时有 Thread-4 来了

如果不巧又被 Thread-4 占了先

Thread-4 被设置为 exclusiveOwnerThread，state = 1
Thread-1 再次进入 acquireQueued 流程，获取锁失败，重新进入 park 阻塞

非公平锁加锁源码

java

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;

    // 加锁实现
    final void lock() {
        // 首先用 cas 尝试（仅尝试一次）将 state 从 0 改为 1, 如果成功表示获得了独占锁
        if (compareAndSetState(0, 1))
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else
            // 如果尝试失败，进入 ㈠
            acquire(1);
    }

    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        // ㈡ tryAcquire
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            // 当 tryAcquire 返回为 false 时, 先调用 addWaiter ㈣, 接着 acquireQueued ㈤
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }

    // ㈡ 进入 ㈢
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }

    // ㈢ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果还没有获得锁
        if (c == 0) {
            // 尝试用 cas 获得, 这里体现了非公平性: 不去检查 AQS 队列
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        // 获取失败, 回到调用处
        return false;
    }

    // ㈣ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node addWaiter(Node mode) {
        // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // 如果 tail 不为 null, cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                // 双向链表
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        // 尝试将 Node 加入 AQS, 进入 ㈥
        enq(node);
        return node;
    }

    // ㈥ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) {
                // 还没有, 设置 head 为哨兵节点（不对应线程，状态为 0）
                if (compareAndSetHead(new Node())) {
                    tail = head;
                }
            } else {
                // cas 尝试将 Node 对象加入 AQS 队列尾部
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

    // ㈤ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                // 上一个节点是 head, 表示轮到自己（当前线程对应的 node）了, 尝试获取
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    // 获取成功, 设置自己（当前线程对应的 node）为 head
                    setHead(node);
                    // 上一个节点 help GC
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 返回中断标记 false
                    return interrupted;
                }
                if (
                    // 判断是否应当 park, 进入 ㈦
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // park 等待, 此时 Node 的状态被置为 Node.SIGNAL ㈧
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    // ㈦ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
        // 获取上一个节点的状态
        int ws = pred.waitStatus;
        if (ws == Node.SIGNAL) {
            // 上一个节点都在阻塞, 那么自己也阻塞好了
            return true;
        }
        // > 0 表示取消状态
        if (ws > 0) {
            // 上一个节点取消, 那么重构删除前面所有取消的节点, 返回到外层循环重试
            do {
                node.prev = pred = pred.prev;
            } while (pred.waitStatus > 0);
            pred.next = node;
        } else {
            // 这次还没有阻塞
            // 但下次如果重试不成功, 则需要阻塞，这时需要设置上一个节点状态为 Node.SIGNAL
            compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
        }
        return false;
    }

    // ㈧ 阻塞当前线程
    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }
}

注意：是否需要 unpark 是由当前节点的前驱节点的 waitStatus == Node.SIGNAL 来决定，而不是本节点的 waitStatus 决定。

解锁源码

java

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // 解锁实现
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放锁, 进入 ㈠
        if (tryRelease(arg)) {
            // 队列头节点 unpark
            Node h = head;
            if (
                // 队列不为 null
                h != null &&
                // waitStatus == Node.SIGNAL 才需要 unpark
                h.waitStatus != 0
            ) {
                // unpark AQS 中等待的线程, 进入 ㈡
                unparkSuccessor(h);
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    // ㈠ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // state--
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }

    // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void unparkSuccessor(Node node) {
        // 如果状态为 Node.SIGNAL 尝试重置状态为 0
        // 不成功也可以
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0) {
            compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
        }
        // 找到需要 unpark 的节点, 但本节点从 AQS 队列中脱离, 是由唤醒节点完成的
        Node s = node.next;
        // 不考虑已取消的节点, 从 AQS 队列从后至前找到队列最前面需要 unpark 的节点
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
}

可重入原理

一个持有锁的线程多次调用加锁方法，那么内部将会统计该线程加锁的次数，到时候释放也要调用释放方法同样的次数。

如 a 线程调用 lock() 5 次，那么代码内部将会统计加锁的次数为 5 次，到时候调用 unlock() 方法时，调用 5 次进行 5 - 5 = 0，才能锁释放掉锁。

java

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            if (compareAndSetState(0, acquires)) {
                setExclusiveOwnerThread(current);
                return true;
            }
        }
        // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
        else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
            // state++
            int nextc = c + acquires;
            if (nextc < 0) // overflow
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            setState(nextc);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        // state--
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        // 支持锁重入, 只有 state 减为 0, 才释放成功
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

不可打断原理

视频：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=243

在此模式下，即使它被打断，仍会驻留在 AQS 队列中，一直要等到获得锁后方能得知自己被打断了。

看到 30 行代码，打断后，仅仅返回 true，不会真正打断。

java

// Sync 继承自 AQS
static final class NonfairSync extends Sync {
    // ...

    private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        // 如果打断标记已经是 true, 则 park 会失效
        LockSupport.park(this);
        // interrupted 会清除打断标记
        return Thread.interrupted();
    }

    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null;
                    failed = false;
                    // 还是需要获得锁后, 才能返回打断状态
                    return interrupted;
                }
                if (
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    // 如果是因为 interrupt 被唤醒, 返回打断状态为 true
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    public final void acquire(int arg) {
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            // 如果打断状态为 true
            selfInterrupt();
        }
    }

    static void selfInterrupt() {
        // 重新产生一次中断
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}

可打断原理

看 27 行代码，打断后，直接抛出 InterruptedException 异常进行打断。

java

static final class NonfairSync extends Sync {
    public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 如果没有获得到锁, 进入 ㈠
        if (!tryAcquire(arg))
            doAcquireInterruptibly(arg);
    }

    // ㈠ 可打断的获取锁流程
    private void doAcquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.EXCLUSIVE);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt()) {
                    // 在 park 过程中如果被 interrupt 会进入此
                    // 这时候抛出异常, 而不会再次进入 for (;;)
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
}

公平锁实现原理

视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=244

公平锁源码，可以看到，它会去检测队列是否有节点，如果有，就按顺序获取。

java

static final class FairSync extends Sync {
    private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
    final void lock() {
        acquire(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        if (
            !tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }
    // 与非公平锁主要区别在于 tryAcquire 方法的实现
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        final Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        if (c == 0) {
            // 先检查 AQS 队列中是否有前驱节点, 没有才去竞争
            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;
    }

    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        Node t = tail;
        Node h = head;
        Node s;
        // h != t 时表示队列中有 Node
        return h != t &&
            (
            // (s = h.next) == null 表示队列中还没有老二
            (s = h.next) == null ||
            // 或者队列中老二线程不是此线程
            s.thread != Thread.currentThread()
        );
    }
}

非公平锁的 tryAcquire 方法，不会去检测 AQS 队列。

java

// ㈡ 进入 ㈢
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

// ㈢ Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    // 如果还没有获得锁
    if (c == 0) {
        // 尝试用 cas 获得, 这里体现了非公平性: 不去检查 AQS 队列
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 如果已经获得了锁, 线程还是当前线程, 表示发生了锁重入
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // state++
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    // 获取失败, 回到调用处
    return false;
}

条件变量实现原理

每个条件变量其实就对应着一个等待队列，其实现类是 ConditionObject。

await 流程

视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=245

java

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException();

    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);

    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

开始 Thread-0 持有锁，调用 await，进入 ConditionObject 的 addConditionWaiter 方法。

addConditionWaiter 方法创建新的 Node ，并设置状态为 -2（Node.CONDITION），并关联 Thread-0，加入等待队列尾部，-2 代表是等待条件从 Condition 队列出来。

接下来进入 AQS 的 fullyRelease 流程，释放同步器上的所有锁，即 Thread-0 持有的锁被释放，进入 ConditionObject 队列。

java

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        int savedState = getState();
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

java

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

unparkSuccessor 方法释放 AQS 队列中的下一个节点，竞争锁，假设没有其他竞争线程，那么 Thread-1 竞争成功。

加入 ConditionObject 队列的 Thread-0 线程还是运行状态的，所以调用 park 方法阻塞 Thread-0。

signal 流程

视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=246

假设 Thread-1 要来唤醒 Thread-0。

java

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {

    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    Status can be transiently and harmlessly wrong).
        */
        Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

进入 ConditionObject 的 doSignal 流程，取得等待队列中第一个 Node，即 Thread-0 所在 Node。

执行 transferForSignal 方法，将该 Node 加入 AQS 队列尾部，将 Thread-0 的 waitStatus 改为 0，Thread-3 的 waitStatus 改为 -1。

Thread-1 释放锁，进入 unlock 流程。

源码

java

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;

    // 第一个等待节点
    private transient Node firstWaiter;

    // 最后一个等待节点
    private transient Node lastWaiter;
    public ConditionObject() { }
    // ㈠ 添加一个 Node 至等待队列
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();
            t = lastWaiter;
        }
        // 创建一个关联当前线程的新 Node, 添加至队列尾部
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
    // 唤醒 - 将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列
    private void doSignal(Node first) {
        do {
            // 已经是尾节点了
            if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
                lastWaiter = null;
            }
            first.nextWaiter = null;
        } while (
            // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列, 不成功且还有节点则继续循环 ㈢
            !transferForSignal(first) &&
            // 队列还有节点
            (first = firstWaiter) != null
        );
    }

    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈢ 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        // 如果状态已经不是 Node.CONDITION, 说明被取消了
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        // 加入 AQS 队列尾部
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (
            // 上一个节点被取消
            ws > 0 ||
            // 上一个节点不能设置状态为 Node.SIGNAL
            !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)
        ) {
            // unpark 取消阻塞, 让线程重新同步状态
            LockSupport.unpark(node.thread);
        }
        return true;
    }
    // 全部唤醒 - 等待队列的所有节点转移至 AQS 队列
    private void doSignalAll(Node first) {
        lastWaiter = firstWaiter = null;
        do {
            Node next = first.nextWaiter;
            first.nextWaiter = null;
            transferForSignal(first);
            first = next;
        } while (first != null);
    }

    // ㈡
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        // ...
    }
    // 唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignal 内无需考虑加锁
    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }
    // 全部唤醒 - 必须持有锁才能唤醒, 因此 doSignalAll 内无需考虑加锁
    public final void signalAll() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignalAll(first);
    }
    // 不可打断等待 - 直到被唤醒
    public final void awaitUninterruptibly() {
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁, 见 ㈣
        int savedState = fullyRelease(node);
        boolean interrupted = false;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 仅设置打断状态
            if (Thread.interrupted())
                interrupted = true;
        }
        // 唤醒后, 尝试竞争锁, 如果失败进入 AQS 队列
        if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
            selfInterrupt();
    }
    // 外部类方法, 方便阅读, 放在此处
    // ㈣ 因为某线程可能重入，需要将 state 全部释放
    final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
    // 打断模式 - 在退出等待时重新设置打断状态
    private static final int REINTERRUPT = 1;
    // 打断模式 - 在退出等待时抛出异常
    private static final int THROW_IE = -1;
    // 判断打断模式
    private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
        return Thread.interrupted() ?
            (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
        0;
    }
    // ㈤ 应用打断模式
    private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
        throws InterruptedException {
        if (interruptMode == THROW_IE)
            throw new InterruptedException();
        else if (interruptMode == REINTERRUPT)
            selfInterrupt();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断
    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // park 阻塞
            LockSupport.park(this);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时
    public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        // 添加一个 Node 至等待队列, 见 ㈠
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放节点持有的锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        // 获得最后期限
        final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
        int interruptMode = 0;
        // 如果该节点还没有转移至 AQS 队列, 阻塞
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            // 已超时, 退出等待队列
            if (nanosTimeout <= 0L) {
                transferAfterCancelledWait(node);
                break;
            }
            // park 阻塞一定时间, spinForTimeoutThreshold 为 1000 ns
            if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
            // 如果被打断, 退出等待队列
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
            nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
        }
        // 退出等待队列后, 还需要获得 AQS 队列的锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        // 所有已取消的 Node 从队列链表删除, 见 ㈡
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        // 应用打断模式, 见 ㈤
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        return deadline - System.nanoTime();
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
        // ...
    }
    // 等待 - 直到被唤醒或打断或超时, 逻辑类似于 awaitNanos
    public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        // ...
    }
    // 工具方法 省略 ...
}

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读写锁

读写锁的核心类：ReentrantReadWriteLock。

当读操作远远高于写操作时，这时候使用读写锁让读-读可以并发，提高性能。类似于数据库中的 select ... from ... lock in share mode。

使用

java

private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();

// 获取读锁
private ReentrantReadWriteLock.ReadLock r = rw.readLock();

// 获取写锁
private ReentrantReadWriteLock.WriteLock w = rw.writeLock();

特点

获取读锁后，其他线程可以再次获取读锁
获取读锁后，其他线程无法获取写锁，等待读锁被释放，才能获取写锁
获取写锁后，其他线程无法获取读锁，等待读锁释放，才能获取读锁
获取写锁后，其他线程无法获取写锁，等待写锁释放，才能获取写锁

例子

提供一个数据容器类内部分别使用读锁保护数据的 read() 方法，写锁保护数据的 write() 方法。

java

class DataContainer {
    private Object data;
    private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();
    private ReentrantReadWriteLock.ReadLock r = rw.readLock();
    private ReentrantReadWriteLock.WriteLock w = rw.writeLock();
    public Object read() {
        log.debug("获取读锁...");
        r.lock();
        try {
            log.debug("读取");
            sleep(1);
            return data;
        } finally {
            log.debug("释放读锁...");
            r.unlock();
        }
    }
    public void write() {
        log.debug("获取写锁...");
        w.lock();
        try {
            log.debug("写入");
            sleep(1);
        } finally {
            log.debug("释放写锁...");
            w.unlock();
        }
    }
}

测试读锁-读锁，可以并发，即多个线程能同时获取读锁。

java

public static void main(String[] args) {
    DataContainer dataContainer = new DataContainer();

    new Thread(() -> {
        dataContainer.read();
    }, "t1").start();

    new Thread(() -> {
        dataContainer.read();
    }, "t2").start();
}

出结果，从这里可以看到 Thread-0 锁定期间，Thread-1 的读操作不受影响

java

14:05:14.341 c.DataContainer [t2] - 获取读锁...
14:05:14.341 c.DataContainer [t1] - 获取读锁...
14:05:14.345 c.DataContainer [t1] - 读取
14:05:14.345 c.DataContainer [t2] - 读取
14:05:15.365 c.DataContainer [t2] - 释放读锁...
14:05:15.386 c.DataContainer [t1] - 释放读锁...

测试读锁-写锁，相互阻塞，即获取读锁后，其他线程无法获取写锁，等待读锁释放，才能获取写锁。

java

public static void main(String[] args) {
    DataContainer dataContainer = new DataContainer();

    new Thread(() -> {
        dataContainer.read();
    }, "t1").start();

    Thread.sleep(100);
    new Thread(() -> {
        dataContainer.write();
    }, "t2").start();
}

输出结果

java

14:04:21.838 c.DataContainer [t1] - 获取读锁...
14:04:21.838 c.DataContainer [t2] - 获取写锁...
14:04:21.841 c.DataContainer [t2] - 写入
14:04:22.843 c.DataContainer [t2] - 释放写锁...
14:04:22.843 c.DataContainer [t1] - 读取
14:04:23.843 c.DataContainer [t1] - 释放读锁...

注意：写锁-写锁，也是相互阻塞的，即获取写锁后，其他线程无法获取写锁，等待写锁释放，才能获取写锁。

注意事项

读锁不支持条件变量

重入时升级不支持：即持有读锁的情况下去获取写锁，会导致获取写锁永久等待

java

public static void main(String[] args) {
    r.lock();
    try {
        // ...
        w.lock(); // 因为上面已经获取了读锁，这里获取写锁，所以导致永久卡在这里
        try {
            // ...
        } finally{
            w.unlock();
        }
    } finally{
        r.unlock();
    }
}

重入时降级支持：即一个线程持有写锁的情况下，依然可以去获取读锁

java

class CachedData {
    Object data;
    // 是否有效，如果失效，需要重新计算 data
    volatile boolean cacheValid;
    final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public void processCachedData() {
        rwl.readLock().lock();
        // 如果失效
        if (!cacheValid) {
            // 获取写锁前必须释放读锁
            rwl.readLock().unlock();
            rwl.writeLock().lock();
            try {
                // 判断是否有其它线程已经获取了写锁、更新了缓存, 避免重复更新
                if (!cacheValid) {
                    data = ...;
                    cacheValid = true;
                }
                // 降级为读锁, 释放写锁, 这样能够让其它线程读取缓存
                rwl.readLock().lock();
            } finally {
                rwl.writeLock().unlock();
            }
        }
        // 自己用完数据, 释放读锁
        try {
            use(data);
        } finally {
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

上面有个好的套路：获取写锁后，进行一系列操作，然后 在释放写锁前，先获取读锁，再释放写锁，这样就防止其他线程先抢到读写。

应用之缓存

简单缓存例子

通过一个例子来说明缓存问题。

GenericDao 是一个针对数据库的改查类，即该类有三个方法：

queryOne：查询指定数据
update：更新指定数据

正常情况下，多次查询一个数据，那么 GenericDao 会调用多次 SQL（select）去数据库进行查询，但是我们想 查询重复的数据，只有第一次去数据库查询，后面的数据查询都是从缓存获取，所以我们需要写一个类 GenericDaoCached 继承 GenericDao，实现 缓存机制，这是 装饰者模式。

所以我们利用 Map 来进行缓存存储，key 是一个类 SqlPair，该类 SQL 语句和参数，value 就是查询出来的数据。

如果更新数据，则把缓存清空，以便于下一次查询之前的重复数据时，需要重新获取修改后的数据。

java

class GenericDaoCached extends GenericDao {
    private GenericDao dao = new GenericDao();
    private Map<SqlPair, Object> map = new HashMap<>();

    @Override
    public <T> T queryOne(Class<T> beanClass, String sql, Object... args) {
        // 先从缓存中找，找到直接返回
        SqlPair key = new SqlPair(sql, args);;
        T value = (T) map.get(key);
        if(value != null) {
            return value;
        }
        // 缓存中没有，查询数据库
        value = dao.queryOne(beanClass, sql, args);
        map.put(key, value);
        return value;
    }

    @Override
    public int update(String sql, Object... args) {
        // 清空缓存
        map.clear();
        // 更新库
        return dao.update(sql, args);
    }

    class SqlPair {
        private String sql;
        private Object[] args;

        public SqlPair(String sql, Object[] args) {
            this.sql = sql;
            this.args = args;
        }

        @Override
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o) {
                return true;
            }
            if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
                return false;
            }
            SqlPair sqlPair = (SqlPair) o;
            return Objects.equals(sql, sqlPair.sql) &&
                Arrays.equals(args, sqlPair.args);
        }

        @Override
        public int hashCode() {
            int result = Objects.hash(sql);
            result = 31 * result + Arrays.hashCode(args);
            return result;
        }
    }
}

测试

java

public class TestGenericDao {
    public static void main(String[] args) {
        GenericDao dao = new GenericDaoCached();
        System.out.println("============> 查询");
        String sql = "select * from emp where empno = ?";
        int empno = 7369;
        Emp emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);

        System.out.println("============> 更新");
        dao.update("update emp set sal = ? where empno = ?", 800, empno);
        emp = dao.queryOne(Emp.class, sql, empno);
        System.out.println(emp);
    }
}

例子缺点

22 行和 24 行，是先清缓存还是先更新数据库？先更新数据库。如下图：

B 线程要进行数据更新，先清空了缓存，然后 A 线程去数据库查询数据，得到 1，接着 B 线程才将新的数据 2 存入数据库，但是 A 线程后面查询都是从缓存里获取的旧数据 1。

如果先更新数据库。如下图：

B 线程要进行数据更新，先将新数据 2 存入数据库，然后 A 线程查询缓存，获取旧数据 1，接着 B 线程清空缓存，然后 A 线程发现缓存被清空，所以从数据库查询新数据 2，并存入缓存，最后 A 线程查询的都是新的数据 2。

可以看到，A 线程仅有一次机会获取的是旧数据 1，即 B 线程没来得及清空缓存时，所以清空缓存后 A 线程后面的查询都是新数据 2。

有一种情况：

假设 A 线程查询数据时缓存没有，所以去数据库获取数据 1，然后 B 线程将新数据 2 存入数据库，并清空缓存，接着 A 线程才将查询到的数据 1 存入缓存，所以 A 线程后面的查询都是从缓存获取旧数据 1。

这种情况的出现几率非常小，有论文证明了。

读写锁实现一致性缓存

使用读写锁实现一个简单的按需加载缓存，即查询数据使用读锁，数据存入缓存和修改数据加写锁。

java

class GenericDaoCached extends GenericDao {
    private GenericDao dao = new GenericDao();
    private Map<SqlPair, Object> map = new HashMap<>();
    private ReentrantReadWriteLock rw = new ReentrantReadWriteLock();

    @Override
    public <T> List<T> queryList(Class<T> beanClass, String sql, Object... args) {
        return dao.queryList(beanClass, sql, args);
    }

    @Override
    public <T> T queryOne(Class<T> beanClass, String sql, Object... args) {
        // 先从缓存中找，找到直接返回
        SqlPair key = new SqlPair(sql, args);;
        rw.readLock().lock();
        try {
            T value = (T) map.get(key);
            if(value != null) {
                return value;
            }
        } finally {
            rw.readLock().unlock();
        }
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 多个线程被卡在 24 行，当拿到写锁的线程释放锁，多个线程都会来这一步，所以再次判断缓存是否有数据
            T value = (T) map.get(key);
            if(value == null) {
                // 缓存中没有，查询数据库
                value = dao.queryOne(beanClass, sql, args);
                map.put(key, value);
            }
            return value;
        } finally {
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }

    @Override
    public int update(String sql, Object... args) {
        rw.writeLock().lock();
        try {
            // 先更新库
            int update = dao.update(sql, args);
            // 清空缓存
            map.clear();
            return update;
        } finally {
            rw.writeLock().unlock();
        }
    }

    class SqlPair {
        private String sql;
        private Object[] args;

        public SqlPair(String sql, Object[] args) {
            this.sql = sql;
            this.args = args;
        }

        @Override
        public boolean equals(Object o) {
            if (this == o) {
                return true;
            }
            if (o == null || getClass() != o.getClass()) {
                return false;
            }
            SqlPair sqlPair = (SqlPair) o;
            return Objects.equals(sql, sqlPair.sql) &&
                Arrays.equals(args, sqlPair.args);
        }

        @Override
        public int hashCode() {
            int result = Objects.hash(sql);
            result = 31 * result + Arrays.hashCode(args);
            return result;
        }
    }

}

注意：多个线程被卡在 24 行时，当拿到写锁的线程将数据存入缓存后释放锁，其他线程慢慢拿到锁，往下走会再次将数据存入缓存，所以需要再次判断缓存是否有数据。

注意

以上实现体现的是读写锁的应用，保证缓存和数据库的一致性，但有下面的问题没有考虑

适合读多写少，如果写操作比较频繁，以上实现性能低
没有考虑缓存容量
没有考虑缓存过期
只适合单机
并发性还是低，目前只会用一把锁
更新方法太过简单粗暴，清空了所有 key（考虑按类型分区或重新设计 key）

可以利用乐观锁实现：用 CAS 去更新。

读写锁原理

视频有 6 个，是 P253 - P258，这里提供 P253 的视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd?p=253。

读写锁用的是同一个 Sycn 同步器，因此等待队列、state 也都是一样的。（state 是 int 类型的整数，用来判断是否加锁解锁）

t1 加写锁，t2 加读锁

java

public void lock() {
    sync.acquire(1);
}
public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    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 acquire
        setState(c + acquires);
        return true;
    }
    if (writerShouldBlock() ||
        !compareAndSetState(c, c + acquires))
        return false;
    setExclusiveOwnerThread(current);
    return true;
}

t1 成功上锁，流程与 ReentrantLock 加锁相比没有特殊之处，不同是写锁状态占了 state 的低 16 位，而读锁使用的是 state 的高 16 位。

上面的 tryAcquire 方法的 w 是写锁，c 是状态。

13 - 22 行代码：如果 c 不等于 0，代表已经加锁（读写锁都有可能，因为两个都占 16 位），所以 if 里判断是不是当前线程加锁，是的话统计加锁次数并返回 true，即实现 可重入 功能，如果写锁（16 位） + state（16 位）大于 MAX_COUNT，代表超出了范围，直接抛出异常
23 - 27 行代码：如果 c 等于 0，代表没有加锁，所以判断写锁是否被锁住 || 能否将状态 c 进行修改，如果都是 false，直接返回 false，否则给当前线程加上写锁

java

public void lock() {
    sync.acquireShared(1);
}
public final void acquireShared(int arg) {
    if (tryAcquireShared(arg) < 0)
        doAcquireShared(arg);
}
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
    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);
}

t2 执行 r.lock，这时进入读锁的 sync.acquireShared(1) 流程，首先会进入 tryAcquireShared 流程。如果有写锁占据，那么 tryAcquireShared 返回 -1 表示失败。

tryAcquireShared 返回值表示：

-1 表示失败
0 表示成功，但后继节点不会继续唤醒
正数表示成功，而且数值是还有几个后继节点需要唤醒，读写锁返回 1

读写锁只返回 -1（失败）和 1（成功）。

11 - 13 行：获取写锁，如果已经加了写锁，并且加写锁的线程不是自己，返回 -1，代表加读锁失败
15 - 32 行：如果写锁没有被阻塞，且状态 c 能加 1，代表能获取锁，接着多个 if-else 判断可重入，最后返回 1，代表成功

java

private void doAcquireShared(int arg) {
    final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head) {
                int r = tryAcquireShared(arg);
                if (r >= 0) {
                    setHeadAndPropagate(node, r);
                    p.next = null; // help GC
                    if (interrupted)
                        selfInterrupt();
                    failed = false;
                    return;
                }
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}

返回 -1 失败后，这时会进入 sync.doAcquireShared(1) 方法，内部和 ReentrantLock 原理一样，首先也是调用 addWaiter 添加节点，不同之处在于节点被设置为 Node.SHARED 模式而非 Node.EXCLUSIVE 模式，创建两个节点，第一个节点是前驱节点，与 head 关联，第二个节点与线程关联。

t2 会看看自己的节点是不是老二，如果是，还会再次调用 tryAcquireShared(1) 来尝试获取锁。

如果没有成功，在 doAcquireShared 内 for(;;) 循环一次，把前驱节点的 waitStatus 改为 -1，再 for(;;) 循环一次尝试 tryAcquireShared(1)，如果还不成功，那么在 parkAndCheckInterrupt() 处 park，将当前线程阻塞，如下图：

t3 加读锁，t4 加写锁

t3 加读锁，t4 加写锁是接着上文 t1 加写锁，t2 加读锁的。

这种状态下，假设又有 t3 加读锁和 t4 加写锁，这期间 t1 仍然持有锁，就变成了下面的样：

t3 和 t4 都放到 t2 的后面并进入阻塞状态，黄色三角形的 -1 代表当前节点有义务唤醒后面的节点。Shared 代表线程获取的是读锁，Ex 代表线程获取的是写锁。

t1 释放写锁

java

public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    int nextc = getState() - releases;
    boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
    if (free)
        setExclusiveOwnerThread(null);
    setState(nextc);
    return free;
}

这时会走到写锁的 sync.release(1) 流程，调用 sync.tryRelease(1)，将当前状态 -1 赋值给 nextc，如果等于 0（可重入会加多次），则释放写锁，返回 true，变成下面的样子：

接下来执行唤醒流程 sync.unparkSuccessor，即让老二恢复运行，这时 t2 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行。

这回再来一次 for(;;) 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一。

这时 t2 已经恢复运行，接下来 t2 调用 setHeadAndPropagate(node, 1)，它原本所在节点被置为头节点。

事情还没完，在 setHeadAndPropagate 方法内还会检查下一个节点是否是 shared，如果是则调用 doReleaseShared() 将 head 的状态从 -1 改为 0 并唤醒老二，这时 t3 在 doAcquireShared 内 parkAndCheckInterrupt() 处恢复运行。

这回再来一次 for(;;) 执行 tryAcquireShared 成功则让读锁计数加一。

这时 t3 已经恢复运行，接下来 t3 调用 setHeadAndPropagate(node, 1)，它原本所在节点被置为头节点。

下一个节点不是 shared 了，因此不会继续唤醒 t4 所在节点。

t2 释放读锁，t3 释放读锁

java

public final boolean releaseShared(int arg) {
    if (tryReleaseShared(arg)) {
        doReleaseShared();
        return true;
    }
    return false;
}
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
    // ...
    for (;;) {
        int c = getState();
        int nextc = c - SHARED_UNIT;
        if (compareAndSetState(c, nextc))
            return nextc == 0;
    }
}

t2 进入 sync.releaseShared(1) 中，调用 tryReleaseShared(1)，让状态 c - 1，赋值给 nextc，然后让状态 c 变成 nextc（总结就是状态减一），但由于计数还不为零（t3 也获取了读锁）。

java

private void doReleaseShared() {
    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

t3 进入 sync.releaseShared(1) 中，调用 tryReleaseShared(1) 让计数减一，这回计数为零了，进入 doReleaseShared() 将头节点从 -1 改为 0 并唤醒老二，即释放读锁。

之后 t4 在 acquireQueued 中 parkAndCheckInterrupt 处恢复运行，再次 for(;;) 这次自己是老二，并且没有其他竞争，tryAcquire(1) 成功，修改头结点，流程结束。

源码分析

写锁上锁流程

java

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ... 省略无关代码

    // 外部类 WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void lock() {
        sync.acquire(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquire(int arg) {
        if (
            // 尝试获得写锁失败
            !tryAcquire(arg) &&
            // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为独占模式
            // 进入 AQS 队列阻塞
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
        ) {
            selfInterrupt();
        }
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        // 获得低 16 位, 代表写锁的 state 计数
        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        int w = exclusiveCount(c);

        if (c != 0) {
            if (
                // c != 0 and w == 0 表示有读锁, 或者
                w == 0 ||
                // 如果 exclusiveOwnerThread 不是自己
                current != getExclusiveOwnerThread()
            ) {
                // 获得锁失败
                return false;
            }
            // 写锁计数超过低 16 位, 报异常
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            // 写锁重入, 获得锁成功
            setState(c + acquires);
            return true;
        }
        if (
            // 判断写锁是否该阻塞, 或者
            writerShouldBlock() ||
            // 尝试更改计数失败
            !compareAndSetState(c, c + acquires)
        ) {
            // 获得锁失败
            return false;
        }
        // 获得锁成功
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }

    // 非公平锁 writerShouldBlock 总是返回 false, 无需阻塞
    final boolean writerShouldBlock() {
        return false;
    }
}

写锁释放流程

java

static final class NonfairSync extends Sync {
    // ... 省略无关代码

    // WriteLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean release(int arg) {
        // 尝试释放写锁成功
        if (tryRelease(arg)) {
            // unpark AQS 中等待的线程
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        int nextc = getState() - releases;
        // 因为可重入的原因, 写锁计数为 0, 才算释放成功
        boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
        if (free) {
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(nextc);
        return free;
    }
}

读锁上锁流程

java

static final class NonfairSync extends Sync {

    // ReadLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void lock() {
        sync.acquireShared(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final void acquireShared(int arg) {
        // tryAcquireShared 返回负数, 表示获取读锁失败
        if (tryAcquireShared(arg) < 0) {
            doAcquireShared(arg);
        }
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final int tryAcquireShared(int unused) {
        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        // 如果是其它线程持有写锁, 获取读锁失败
        if (
            exclusiveCount(c) != 0 &&
            getExclusiveOwnerThread() != current
        ) {
            return -1;

        }
        int r = sharedCount(c);
        if (
            // 读锁不该阻塞(如果老二是写锁，读锁该阻塞), 并且
            !readerShouldBlock() &&
            // 小于读锁计数, 并且
            r < MAX_COUNT &&
            // 尝试增加计数成功
            compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)
        ) {
            // ... 省略不重要的代码
            return 1;
        }
        return fullTryAcquireShared(current);
    }

    // 非公平锁 readerShouldBlock 看 AQS 队列中第一个节点是否是写锁
    // true 则该阻塞, false 则不阻塞
    final boolean readerShouldBlock() {
        return apparentlyFirstQueuedIsExclusive();
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    // 与 tryAcquireShared 功能类似, 但会不断尝试 for (;;) 获取读锁, 执行过程中无阻塞
    final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
        HoldCounter rh = null;
        for (;;) {
            int c = getState();
            if (exclusiveCount(c) != 0) {
                if (getExclusiveOwnerThread() != current)
                    return -1;
            } else if (readerShouldBlock()) {
                // ... 省略不重要的代码
            }
            if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
                // ... 省略不重要的代码
                return 1;
            }
        }
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doAcquireShared(int arg) {
        // 将当前线程关联到一个 Node 对象上, 模式为共享模式
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    // 再一次尝试获取读锁
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    // 成功
                    if (r >= 0) {
                        // ㈠
                        // r 表示可用资源数, 在这里总是 1 允许传播
                        //（唤醒 AQS 中下一个 Share 节点）
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        if (interrupted)
                            selfInterrupt();
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (
                    // 是否在获取读锁失败时阻塞（前一个阶段 waitStatus == Node.SIGNAL）
                    shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    // park 当前线程
                    parkAndCheckInterrupt()
                ) {
                    interrupted = true;
                }
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

    // ㈠ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) {
        Node h = head; // Record old head for check below
        // 设置自己为 head
        setHead(node);

        // propagate 表示有共享资源（例如共享读锁或信号量）
        // 原 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
        // 现在 head waitStatus == Node.SIGNAL 或 Node.PROPAGATE
        if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0 ||
            (h = head) == null || h.waitStatus < 0) {
            Node s = node.next;
            // 如果是最后一个节点或者是等待共享读锁的节点
            if (s == null || s.isShared()) {
                // 进入 ㈡
                doReleaseShared();
            }
        }
    }

    // ㈡ AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doReleaseShared() {
        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark

        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE, 为了解决 bug, 见后面分析
        for (;;) {
            Node h = head;
            // 队列还有节点
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue; // loop to recheck cases
                    // 下一个节点 unpark 如果成功获取读锁
                    // 并且下下个节点还是 shared, 继续 doReleaseShared
                    unparkSuccessor(h);
                }
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue; // loop on failed CAS
            }
            if (h == head) // loop if head changed
                break;
        }
    }
}

读锁释放流程

java

static final class NonfairSync extends Sync {

    // ReadLock 方法, 方便阅读, 放在此处
    public void unlock() {
        sync.releaseShared(1);
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

    // Sync 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
        // ... 省略不重要的代码
        for (;;) {
            int c = getState();
            int nextc = c - SHARED_UNIT;
            if (compareAndSetState(c, nextc)) {
                // 读锁的计数不会影响其它获取读锁线程, 但会影响其它获取写锁线程
                // 计数为 0 才是真正释放
                return nextc == 0;
            }
        }
    }

    // AQS 继承过来的方法, 方便阅读, 放在此处
    private void doReleaseShared() {
        // 如果 head.waitStatus == Node.SIGNAL ==> 0 成功, 下一个节点 unpark
        // 如果 head.waitStatus == 0 ==> Node.PROPAGATE
        for (;;) {
            Node h = head;
            if (h != null && h != tail) {
                int ws = h.waitStatus;
                // 如果有其它线程也在释放读锁，那么需要将 waitStatus 先改为 0
                // 防止 unparkSuccessor 被多次执行
                if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue; // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                }
                // 如果已经是 0 了，改为 -3，用来解决传播性，见后文信号量 bug 分析
                else if (ws == 0 &&
                         !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                    continue; // loop on failed CAS
            }
            if (h == head) // loop if head changed
                break;
        }
    }
}

JUC - 共享模型之读写锁 ​

AQS 原理 ​

概述 ​

实现不可重入锁 ​

心得 ​

起源 ​

目标 ​

设计 ​

ReentrantLock 原理 ​

非公平锁实现原理 ​

非公平锁加锁源码 ​

解锁源码 ​

可重入原理 ​

不可打断原理 ​

可打断原理 ​

公平锁实现原理 ​

条件变量实现原理 ​

读写锁 ​

应用之缓存 ​

简单缓存例子 ​

例子缺点 ​

读写锁实现一致性缓存 ​

读写锁原理 ​

t1 加写锁，t2 加读锁 ​

t3 加读锁，t4 加写锁 ​

t1 释放写锁 ​

t2 释放读锁，t3 释放读锁 ​

源码分析 ​

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