ReentrantReadWriteLock读写锁实现分析

　　排他锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他的写线程均被阻塞。读写锁内部维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大的提升。

　　读写锁除了保证写操作对读操作的可见性和提高并发的性能之外，读写锁能够简化读写交互场景的编程方式。假设在程序中定义一个用作缓存的共享的数据结构，它的大部分时间提供读取服务，而写操作占有的时间非常的少，但是写操作完成之后的更新需要对后续的读服务可见。在没有读写锁支持的时候（JAVA 5之前），要完成上述工作就要使用Java的等待/通知机制，就是当写操作开始的时候，所有晚于写操作的读操作均会进入等待状态，只有写操作完成并进行通知之后，所有等待的读操作才能继续执行（写操作之间依靠synchronized进行同步），这样做的目的是使读操作能读取到正确的数据，不会出现脏读。改用读写锁实现上述功能，只需要在读操作时候获取读锁，写操作时候获取写锁，当写锁被获取到时，后续的（非当前写操作线程）所有读写操作都会被阻塞，在写锁释放之后，所有操作继续执行，编程方式相对于使用等待通知机制的实现方式变得简单明了。

　　Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock，它提供如下特性：

　　（1）公平性选择，支持非公平锁和公平锁的获取方式。

　　（2）重进入，支持重进入，线程获取读锁之后该线程能继续获取读锁；线程获取写锁之后能继续获取写锁，也可以获取读锁。

　　（3）锁降级，遵循获取写锁、获取读锁在释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。

　　下面通过一个缓存示例说明读写锁的使用方式，示例代码如下：

public class Cache {
    private static final Map<String,Object> cache = new HashMap<String,Object>() ;
    private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock() ;
    private static Lock r = lock.readLock() ;
    private static Lock w = lock.writeLock();
    
    public static final Object get(String key){
        r.lock();
        try {
            return cache.get(key) ;
        }finally{
            r.unlock(); 
        }
    }
    
    public static final Object put(String key,Object val){
        w.lock();
        try{
             return  cache.put(key, val);
            
        }finally{
            w.unlock();
        }
        
    }
    
    public static final void clear(){
        w.lock();
        try{
            cache.clear();
            
        }finally{
            w.unlock();
        }
    }
    
    public static final Object remove(String key){
        w.lock();
        try{
             return  cache.remove(key) ;
            
        }finally{
            w.unlock();
        }
    }
}

　　上述的Cache组合一个非线程安全的HashMap作为缓存的实现，同时使用读写锁的读锁和写锁来保证Cache是线程安全的。在读操作get(String key)的方法中，需要获取读锁，这使得所有的读并发都不会被阻塞。写操作put(String key,Object val)方法和clear()和remove(String key)方法，在更新HashMap时必须提前获取写锁，当获取写锁之后，其他线程对于写锁和读锁的获取都将会被阻塞，而只有写锁释放之后其他读写操作才能够继续。Cache使用读写锁提升了读并发的性能，也保证了每次写操作对所有的读写操作的可见性，同时简化了编程方式。

　　读写锁同样依赖自定义同步器实现同步功能，而读写的状态就是同步器的同步状态。因为读写锁的特性，所以读写锁需要在同步状态上维护多个读线程和一个写线程的状态，所以该状态的设计成为了实现读写锁的关键。ReentrantReadWriteLock是将一个int变量按位切割分成两部分维读与写状态，高16位表示读，低16位表示写，如下图：

　

　　上图表示一个线程已经获取了写锁，并且重进入了一次，同时也连续获取了3次读锁。读写锁通过位运算能够迅速的写各自的状态，假设当前同步状态的值是S ，写状态等于S & 0x0000ffff把高16位全部抹去得到写锁的状态，读状态等于S >>>16（无符号补0右移16位），当写状态加1时，等于S+1；读状态加1 时，等于S+（1 << 16），也就是 S+ 0x00010000 .