详解ReentrantLock/ReentrantReadWriteLock/BlockingQueue原理

解决线程安全问题使用ReentrantLock就可以，但是ReentrantLock是独占锁，某时只有一个线程可以获取该锁，而实际中会有写少读多的场景，显然ReentrantLock满足不了这个需求，所以ReentrantReadWriteLock应运而生。

ReentrantReadWriteLock采用读写分离的策略，允许多个线程可以同时获取读锁。

读写锁内部维护了两个锁，一个用于读操作，一个用于写操作。所有ReadWriteLock实现都必须保证writeLock操作的内存同步效果也要保持与相关readLock的联系。也就是说，成功获取读锁的线程会看到写入锁之前版本所做的所有更新。

ReentrantReadWriteLock支持以下功能：

• 支持公平和非公平的获取锁的方式；
• 支持可重入，读线程在获取了读锁后还可以获取读锁；写线程在获取了写锁之后既可以再次获取写锁又可以获取读锁；
• 还允许从写入锁降级为读取锁，其实现方式是：先获取写入锁，然后获取读锁，最后释放写锁。但是，从读取锁升级为写入锁是不允许的；
• 读取锁和写入锁都支持锁获取期间的中断；
• Condition支持，仅写入锁提供了Condition实现，读取锁不支持Condition，readLock().newCondition()会抛出异常。

   

 

 

读写锁内部维护了一个ReadLock和一个WriteLock，它们依赖Sync实现具体功能。而Sync继承自AQS，并且也提供了公平和非公平的实现。

我们知道AQS中只维护了一个state状态，而ReentrantReadWriteLock则需要维护读状态和写状态，一个state怎么表示读和写两种状态呢？ReentrantReadWriteLock巧妙地使用state的高16位表示读状态，也就是获取到的读锁的次数；使用低16位表示获取到写锁的线程的可重入次数。

写锁的获取与释放：

1、void lock()方法

写锁是个独占锁，某时只有一个线程可以获取该锁。如果当前没有线程获取到读锁和写锁，则当前线程可以获取到写锁然后返回。如果当前已经有线程获取到读锁和写锁，则当前请求写锁的线程会被阻塞挂起。另外，写锁是可重入锁，如果当前线程已经获取到了该锁，再次获取只是简单地把可重入次数加1后直接返回。

2、void lockInterruptibly()方法

类似于lock方法，它的不同之处在于，它会对中断进行响应，也就是当其他线程调用了该线程的interrupt()方法中断了当前线程时，当前线程会抛出异常InterruptedException异常。

3、boolean tryLock()方法

尝试获取写锁，如果当前没有其他线程持有写锁或者读锁，则当前线程获取写锁会成功，然后返回true。如果当前已经有其他线程持有写锁或者读锁则该方法直接返回false，且当前线程并不会阻塞。如果当前线程已经持有了该写锁则简单增加AQS的状态值后直接返回true。

4、boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

与tryAcquire()的不同之处在于，多了超时时间参数，如果尝试获取写锁失败则会把当前线程挂起指定时间，待超时时间到后当前线程被激活，如果还是没有获取到写锁则返回false。另外，该方法会对中断进行响应，也就是当其他线程调用了该线程的interrupt()方法中断了当前线程时，当前线程会抛出InterruptedException异常。

5、void unlock()

尝试释放锁，如果当前线程持有该锁，调用方法会让该线程对该线程持有的AQS状态值减1，如果减去1后当前状态值位0则当前线程会释放该锁，否则仅仅减1而已。如果当前线程没有持有该锁而调用了该方法则会抛出IllegalMonitorStateException异常。

读锁的获取与释放：

1、void lock()

获取读锁，如果当前没有其他线程持有写锁，则当前线程可以获取读锁，AQS的状态值state的高16位的值会增加1，然后方法返回。否则如果其他一个线程持有写锁，则当前线程会被阻塞。

2、void lockInterruptibly()

类似lock方法，不同之处在于，该方法会对中断进行响应，也就是当其他线程调用了该线程的interrupt()方法中断了当前线程时，当前线程会抛出InterruptedException异常。

3、boolean tryLock()

尝试获取读锁，如果当前没有其他线程持有写锁，则当前线程获取读锁会成功，然后返回true。如果当前已经有其他线程持有写锁则该方法直接返回false，且当前线程并不会阻塞。如果当前线程已经持有了该读锁则简单增加AQS的状态值高16位后直接返回true。

4、boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)

与tryLock()的不同之处在于，多了超时时间参数，如果尝试获取读锁失败则会把当前线程挂起指定时间，待超时时间到后当前线程被激活，如果还是没有获取到读锁则返回false。另外，该方法会对中断进行响应，也就是当其他线程调用了该线程的interrupt()方法中断了当前线程时，当前线程会抛出InterruptedException异常。

 

 

应用：

使用ReentrantReadWriteLock实现线程安全的list：

public class ReentrantLockList {
    // 线程不安全的list
    private ArrayList<String> array = new ArrayList<String>();
    // 独占锁
    private final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock readLock = lock.readLock();
    private final Lock writeLock = lock.writeLock();
 
    // 添加元素
    public void add(String e) {
        // 加锁
        System.out.println("add方法 加锁");
        writeLock.lock();
        try {
            // 添加元素
            array.add(e);
        }finally {
            // 最后释放锁
            System.out.println("add方法 释放锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }
 
    // 删除元素
    public void remove(String e) {
        writeLock.lock();
        try {
            array.remove(e);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
 
    // 获取数据
    public String get(int index) {
        // 加读锁
        System.out.println("get方法 加锁");
        readLock.lock();
        try {
            return array.get(index);
        }finally {
            System.out.println("get方法 释放锁");
            readLock.unlock();
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] ts = new Thread[10];
        Thread[] td = new Thread[30];
        ReentrantLockList reentrantLockList = new ReentrantLockList();
        // 创建10个线程添加元素
        for (int i=0;i<10;i++) {
            ts[i] = new Thread(() ->{
                reentrantLockList.add("el");
            });
            ts[i].start();
        }
        for (int i=0;i<10;i++) {
            ts[i].join();
        }
 
        // 读取元素
        for (int j=0;j<30;j++) {
            td[j] = new Thread(() -> {
                System.out.println(reentrantLockList.get(6));
            });
            td[j].start();
        }
        for (int j=0;j<30;j++) {
            td[j].join();
        }
    }
}

BlockingQueue即阻塞队列

它算是一种将ReentrantLock用得非常精彩的一种表现，依据它的基本原理，我们可以实现Web中的长连接聊天功能，当然其最常用的还是用于实现生产者与消费者模式，大致如下图所示：

 

在Java中，BlockingQueue是一个接口，它的实现类有ArrayBlockingQueue、DelayQueue、 LinkedBlockingDeque、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、SynchronousQueue等，它们的区别主要体现在存储结构上或对元素操作上的不同，但是对于take与put操作的原理，却是类似的。下面的源码以ArrayBlockingQueue为例。

2. 分析
BlockingQueue内部有一个ReentrantLock，其生成了两个Condition，在ArrayBlockingQueue的属性声明中可以看见：

/** Main lock guarding all access */
final ReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
private final Condition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
private final Condition notFull;

...

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

　　

而如果能把notEmpty、notFull、put线程、take线程拟人的话，那么我想put与take操作可能会是下面这种流程：

put(e)

 

 take()

 

 其中ArrayBlockingQueue.put(E e)源码如下（其中中文注释为自定义注释，下同）：

/**
 * Inserts the specified element at the tail of this queue, waiting
 * for space to become available if the queue is full.
 *
 * @throws InterruptedException {@inheritDoc}
 * @throws NullPointerException {@inheritDoc}
 */
public void put(E e) throws InterruptedException {
    checkNotNull(e);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == items.length)
            notFull.await(); // 如果队列已满，则等待
        insert(e);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

/**
 * Inserts element at current put position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private void insert(E x) {
    items[putIndex] = x;
    putIndex = inc(putIndex);
    ++count;
    notEmpty.signal(); // 有新的元素被插入，通知等待中的取走元素线程
}

ArrayBlockingQueue.take()源码如下：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (count == 0)
            notEmpty.await(); // 如果队列为空，则等待
        return extract();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

/**
 * Extracts element at current take position, advances, and signals.
 * Call only when holding lock.
 */
private E extract() {
    final Object[] items = this.items;
    E x = this.<E>cast(items[takeIndex]);
    items[takeIndex] = null;
    takeIndex = inc(takeIndex);
    --count;
    notFull.signal(); // 有新的元素被取走，通知等待中的插入元素线程
    return x;
}

　　

可以看见，put(E)与take()是同步的，在put操作中，当队列满了，会阻塞put操作，直到队列中有空闲的位置。而在take操作中，当队列为空时，会阻塞take操作，直到队列中有新的元素。

而这里使用两个Condition，则可以避免调用signal()时，会唤醒相同的put或take操作。

总结：

ReentrantReadWriteLock底层使用AQS实现，巧妙地使用AQS的状态值的高16位表示获取到读锁的个数，低16位表示获取写锁的线程的可重入次数，并通过CAS对其进行操作实现读写分离，这在读多写少的场景下比较适用。

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