都已經2023年了，你還不知道StampedLock嗎？

作者：JAVA旭陽 2023-01-02 10:08:42

本文主要講解了StampedLock?的功能和使用，至于原理，StampedLock雖然不像其它鎖一樣定義了內部類來實現AQS框架，但是StampedLock的基本實現思路還是利用CLH隊列進行線程的管理，通過同步狀態值來表示鎖的狀態和類型，具體的源碼實現大家感興趣的自己可以追蹤看看。

?概述

想到讀寫鎖，大家第一時間想到的可能是ReentrantReadWriteLock?。實際上，在jdk8以后，java提供了一個性能更優越的讀寫鎖并發類StampedLock?，該類的設計初衷是作為一個內部工具類，用于輔助開發其它線程安全組件，用得好，該類可以提升系統性能，用不好，容易產生死鎖和其它莫名其妙的問題。本文主要和大家一起學習下StampedLock的功能和使用。

StampedLock介紹

StampedLock?的狀態由版本和模式組成。鎖獲取方法返回一個戳，該戳表示并控制對鎖狀態的訪問。StampedLock提供了3種模式控制訪問鎖：

寫模式

獲取寫鎖，它是獨占的，當鎖處于寫模式時，無法獲得讀鎖，所有樂觀讀驗證都將失敗。

writeLock()：阻塞等待獨占獲取鎖，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
tryWriteLock()：嘗試獲取一個寫鎖，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
long tryWriteLock(long time, TimeUnit unit): 嘗試獲取一個獨占寫鎖，可以等待一段事件，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
long writeLockInterruptibly(): 試獲取一個獨占寫鎖，可以被中斷，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
unlockWrite(long stamp)：釋放獨占寫鎖，傳入之前獲取的戳。
tryUnlockWrite()：如果持有寫鎖，則釋放該鎖，而不需要戳值。這種方法可能對錯誤后的恢復很有用。

long stamp = lock.writeLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockWrite(stamp);
}

讀模式

悲觀的方式后去非獨占讀鎖。

readLock()：阻塞等待獲取非獨占的讀鎖，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
tryReadLock()：嘗試獲取一個讀鎖，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
long tryReadLock(long time, TimeUnit unit): 嘗試獲取一個讀鎖，可以等待一段事件，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
long readLockInterruptibly(): 阻塞等待獲取非獨占的讀鎖，可以被中斷，返回一個戳，如果是0表示獲取失敗。
unlockRead(long stamp)：釋放非獨占的讀鎖，傳入之前獲取的戳。
tryUnlockRead()：如果讀鎖被持有，則釋放一次持有，而不需要戳值。這種方法可能對錯誤后的恢復很有用。

long stamp = lock.readLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockRead(stamp);        
}

樂觀讀模式

樂觀讀也就是若讀的操作很多，寫的操作很少的情況下，你可以樂觀地認為，寫入與讀取同時發生幾率很少，因此不悲觀地使用完全的讀取鎖定，程序可以查看讀取資料之后，是否遭到寫入執行的變更，再采取后續的措施(重新讀取變更信息，或者拋出異常) ，這一個小小改進，可大幅度提高程序的吞吐量。

StampedLock?支持 tryOptimisticRead()方法，讀取完畢后做一次戳校驗，如果校驗通過，表示這期間沒有其他線程的寫操作，數據可以安全使用，如果校驗沒通過，需要重新獲取讀鎖，保證數據一致性。

tryOptimisticRead(): 返回稍后可以驗證的戳記，如果獨占鎖定則返回零。
boolean validate(long stamp): 如果自給定戳記發行以來鎖還沒有被獨占獲取，則返回true。

long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 驗戳
if(!lock.validate(stamp)){
  // 鎖升級
}

此外，StampedLock 提供了api實現上面3種方式進行轉換：

long tryConvertToWriteLock(long stamp)

如果鎖狀態與給定的戳記匹配，則執行以下操作之一。如果戳記表示持有寫鎖，則返回它。或者，如果是讀鎖，如果寫鎖可用，則釋放讀鎖并返回寫戳記。或者，如果是樂觀讀，則僅在立即可用時返回寫戳記。該方法在所有其他情況下返回零

long tryConvertToReadLock(long stamp)

如果鎖狀態與給定的戳記匹配，則執行以下操作之一。如果戳記表示持有寫鎖，則釋放它并獲得讀鎖。或者，如果是讀鎖，返回它。或者，如果是樂觀讀，則僅在立即可用時才獲得讀鎖并返回讀戳記。該方法在所有其他情況下返回零。

long tryConvertToOptimisticRead(long stamp)

如果鎖狀態與給定的戳記匹配，那么如果戳記表示持有鎖，則釋放它并返回一個觀察戳記。或者，如果是樂觀讀，則在驗證后返回它。該方法在所有其他情況下返回0，因此作為“tryUnlock”的形式可能很有用。

演示例子

下面用一個例子演示下StampedLock的使用，例子來源jdk中的javadoc。

@Slf4j
@Data
public class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double throws{
        //涉及對共享資源的修改，使用寫鎖-獨占操作
        long stamp = sl.writeLock();
        log.info("writeLock lock success");
        Thread.sleep(500);
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
            log.info("unlock write lock success");
        }
    }

    /**
     * 使用樂觀讀鎖訪問共享資源
     * 注意：樂觀讀鎖在保證數據一致性上需要拷貝一份要操作的變量到方法棧，并且在操作數據時候可能其他寫線程已經修改了數據，
     * 而我們操作的是方法棧里面的數據，也就是一個快照，所以最多返回的不是最新的數據，但是一致性還是得到保障的。
     *
     * @return
     */
    double distanceFromOrigin() throws{
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();    // 使用樂觀讀鎖
        log.info("tryOptimisticRead lock success");
        // 睡一秒中
        Thread.sleep(1000);
        double currentX = x, currentY = y;      // 拷貝共享資源到本地方法棧中
        if (!sl.validate(stamp)) {              // 如果有寫鎖被占用，可能造成數據不一致，所以要切換到普通讀鎖模式
            log.info("validate stamp error");
            stamp = sl.readLock();
            log.info("readLock success");
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
                log.info("unlock read success");
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }

    void moveIfAtOrigin(double newX, double{ // upgrade
        // Could instead start with optimistic, not read mode
        long stamp = sl.readLock();
        try {
            while (x == 0.0 && y == 0.0) {
                long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);  //讀鎖轉換為寫鎖
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                } else {
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

測試用例：

@Test
public void testStamped() throws InterruptedException {
    Point point = new Point();
    point.setX(1);
    point.setY(2);
    // 線程0 執行了樂觀讀
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        try {
            // 樂觀讀
            point.distanceFromOrigin();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-0");
    thread0.start();

    Thread.sleep(500);
    // 線程1 執行寫鎖
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        // 樂觀讀
        try {
            point.move(3, 4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-1");
    thread1.start();

    thread0.join();
    thread1.join();
}

結果：

性能對比

正是由于StampedLock?的樂觀讀模式，早就StampedLock的高性能和高吞吐量，那么具體的性能提高有多少呢？

下圖是和ReadWritLock相比，在一個線程情況下，讀速度是其4倍左右，寫是1倍。

下圖是16個線程情況下，讀性能是其幾十倍，寫性能也是近10倍左右：

下圖是吞吐量提高：

那么這樣是不是說StampedLock?可以全方位的替代ReentrantReadWriteLock?, 答案是否定的，StampedLock?相對于ReentrantReadWriteLock有下面兩個問題：

不支持條件變量Condition
不支持可重入

所以最終選擇StampedLock?還是ReentrantReadWriteLock，還是要看具體的業務場景。

總結

責任編輯：武曉燕來源： JAVA旭陽

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都已經2023年了，你還不知道StampedLock嗎？

?概述

StampedLock介紹

寫模式

讀模式

樂觀讀模式

演示例子

性能對比

總結