读写锁还不会用 StampedLock 就 Out 了

2022-10-18
浙江
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概述

想到读写锁，大家第一时间想到的可能是ReentrantReadWriteLock。实际上，在 jdk8 以后，java 提供了一个性能更优越的读写锁并发类StampedLock，该类的设计初衷是作为一个内部工具类，用于辅助开发其它线程安全组件，用得好，该类可以提升系统性能，用不好，容易产生死锁和其它莫名其妙的问题。本文主要和大家一起学习下StampedLock的功能和使用。

StampedLock 介绍

StampedLock的状态由版本和模式组成。锁获取方法返回一个戳，该戳表示并控制对锁状态的访问。StampedLock提供了 3 种模式控制访问锁：

写模式

获取写锁，它是独占的，当锁处于写模式时，无法获得读锁，所有乐观读验证都将失败。

writeLock()：阻塞等待独占获取锁，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
tryWriteLock()：尝试获取一个写锁，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
long tryWriteLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个独占写锁，可以等待一段事件，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
long writeLockInterruptibly(): 试获取一个独占写锁，可以被中断，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
unlockWrite(long stamp)：释放独占写锁，传入之前获取的戳。
tryUnlockWrite()：如果持有写锁，则释放该锁，而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。

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

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读模式

悲观的方式后去非独占读锁。

readLock()：阻塞等待获取非独占的读锁，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
tryReadLock()：尝试获取一个读锁，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
long tryReadLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个读锁，可以等待一段事件，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
long readLockInterruptibly(): 阻塞等待获取非独占的读锁，可以被中断，返回一个戳，如果是 0 表示获取失败。
unlockRead(long stamp)：释放非独占的读锁，传入之前获取的戳。
tryUnlockRead()：如果读锁被持有，则释放一次持有，而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。

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

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乐观读模式

乐观读也就是若读的操作很多，写的操作很少的情况下，你可以乐观地认为，写入与读取同时发生几率很少，因此不悲观地使用完全的读取锁定，程序可以查看读取资料之后，是否遭到写入执行的变更，再采取后续的措施(重新读取变更信息，或者抛出异常) ，这一个小小改进，可大幅度提高程序的吞吐量。

StampedLock 支持 tryOptimisticRead() 方法，读取完毕后做一次戳校验，如果校验通过，表示这期间没有其他线程的写操作，数据可以安全使用，如果校验没通过，需要重新获取读锁，保证数据一致性。

tryOptimisticRead(): 返回稍后可以验证的戳记，如果独占锁定则返回零。
boolean validate(long stamp): 如果自给定戳记发行以来锁还没有被独占获取，则返回 true。

long stamp = lock.tryOptimisticRead();// 验戳if(!lock.validate(stamp)){  // 锁升级}

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此外，StampedLock 提供了 api 实现上面 3 种方式进行转换：

long tryConvertToWriteLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁，则返回它。或者，如果是读锁，如果写锁可用，则释放读锁并返回写戳记。或者，如果是乐观读，则仅在立即可用时返回写戳记。该方法在所有其他情况下返回零

long tryConvertToReadLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁，则释放它并获得读锁。或者，如果是读锁，返回它。或者，如果是乐观读，则仅在立即可用时才获得读锁并返回读戳记。该方法在所有其他情况下返回零。

long tryConvertToOptimisticRead(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，那么如果戳记表示持有锁，则释放它并返回一个观察戳记。或者，如果是乐观读，则在验证后返回它。该方法在所有其他情况下返回 0，因此作为“tryUnlock”的形式可能很有用。

演示例子

下面用一个例子演示下 StampedLock 的使用，例子来源 jdk 中的 javadoc。

@Slf4j@Datapublic class Point {    private double x, y;    private final StampedLock sl = new StampedLock();
    void move(double deltaX, double deltaY) throws InterruptedException {        //涉及对共享资源的修改，使用写锁-独占操作        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");        }    }
    /**     * 使用乐观读锁访问共享资源     * 注意：乐观读锁在保证数据一致性上需要拷贝一份要操作的变量到方法栈，并且在操作数据时候可能其他写线程已经修改了数据，     * 而我们操作的是方法栈里面的数据，也就是一个快照，所以最多返回的不是最新的数据，但是一致性还是得到保障的。     *     * @return     */    double distanceFromOrigin() throws InterruptedException {        long stamp = sl.tryOptimisticRead();    // 使用乐观读锁        log.info("tryOptimisticRead lock success");        // 睡一秒中        Thread.sleep(1000);        double currentX = x, currentY = y;      // 拷贝共享资源到本地方法栈中        if (!sl.validate(stamp)) {              // 如果有写锁被占用，可能造成数据不一致，所以要切换到普通读锁模式            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 newY) { // 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);  //读锁转换为写锁                if (ws != 0L) {                    stamp = ws;                    x = newX;                    y = newY;                    break;                } else {                    sl.unlockRead(stamp);                    stamp = sl.writeLock();                }            }        } finally {            sl.unlock(stamp);        }    }}

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测试用例：

@Testpublic void testStamped() throws InterruptedException {    Point point = new Point();    point.setX(1);    point.setY(2);    // 线程0 执行了乐观读    Thread thread0 = new Thread(() -> {        try {            // 乐观读            point.distanceFromOrigin();        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }, "thread-0");    thread0.start();
    Thread.sleep(500);    // 线程1 执行写锁    Thread thread1 = new Thread(() -> {        // 乐观读        try {            point.move(3, 4);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }, "thread-1");    thread1.start();
    thread0.join();    thread1.join();}

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结果：

性能对比

正是由于StampedLock的乐观读模式，早就StampedLock的高性能和高吞吐量，那么具体的性能提高有多少呢？

下图是和 ReadWritLock 相比，在一个线程情况下，读速度是其 4 倍左右，写是 1 倍。

下图是 16 个线程情况下，读性能是其几十倍，写性能也是近 10 倍左右：

下图是吞吐量提高：

那么这样是不是说StampedLock可以全方位的替代ReentrantReadWriteLock, 答案是否定的，StampedLock相对于ReentrantReadWriteLock有下面两个问题：

不支持条件变量 Condition
不支持可重入

所以最终选择StampedLock还是ReentrantReadWriteLock，还是要看具体的业务场景。

总结

本文主要讲解了StampedLock的功能和使用，至于原理，StampedLock虽然不像其它锁一样定义了内部类来实现 AQS 框架，但是 StampedLock 的基本实现思路还是利用 CLH 队列进行线程的管理，通过同步状态值来表示锁的状态和类型，具体的源码实现大家感兴趣的自己可以追踪看看。