StampedLock的高级应用：乐观读与悲观读写锁在高性能场景的选择
大家好，今天我们来深入探讨Java并发工具类StampedLock，它提供了一种比ReentrantReadWriteLock更灵活，性能更高的读写锁机制。我们将重点关注StampedLock的乐观读（Optimistic Read）和悲观读写锁的应用，并探讨在高性能场景下如何选择合适的锁策略。
1. StampedLock简介
StampedLock是JDK 8引入的一个读写锁类，它通过返回一个stamp（时间戳）来表示锁的状态。与ReentrantReadWriteLock不同，StampedLock允许读锁升级为写锁，并且提供了乐观读模式，能够在某些情况下避免获取锁的开销，从而提高并发性能。
1.1 StampedLock的主要特点
- 不可重入性：
StampedLock不支持重入，这意味着同一个线程不能多次获取同一个锁。如果线程在持有锁的情况下再次尝试获取锁，将会导致死锁。 - 三种模式：
StampedLock支持三种模式：写锁、读锁和乐观读。 - 锁转换：
StampedLock允许读锁升级为写锁（通过tryConvertToWriteLock()），以及写锁降级为读锁。 - CAS操作：
StampedLock内部使用了CAS（Compare and Swap）操作来实现锁的获取和释放，从而避免了传统锁的上下文切换开销。 - 乐观读：
StampedLock提供了乐观读模式，允许线程在不获取锁的情况下读取共享数据。如果在读取过程中没有其他线程修改数据，则读取成功。否则，需要升级为读锁或写锁。
1.2 StampedLock的基本使用
以下是StampedLock的基本使用示例：
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class StampedLockExample {
private final StampedLock lock = new StampedLock();
private int data = 0;
public int readData() {
long stamp = lock.readLock(); // 获取读锁
try {
return data; // 读取数据
} finally {
lock.unlockRead(stamp); // 释放读锁
}
}
public void writeData(int newData) {
long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
try {
data = newData; // 修改数据
} finally {
lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
}
}
public int tryOptimisticRead() {
long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试乐观读
int currentData = data;
if (!lock.validate(stamp)) { // 检查数据是否被修改
stamp = lock.readLock(); // 如果数据被修改，获取读锁
try {
currentData = data; // 重新读取数据
} finally {
lock.unlockRead(stamp); // 释放读锁
}
}
return currentData;
}
public static void main(String[] args) {
StampedLockExample example = new StampedLockExample();
// 使用示例：
example.writeData(10);
System.out.println("Data after write: " + example.readData());
System.out.println("Data using optimistic read: " + example.tryOptimisticRead());
}
}2. 乐观读模式
乐观读是StampedLock的一个重要特性，它允许线程在不获取锁的情况下读取共享数据。这种模式适用于读操作远多于写操作的场景，可以显著提高并发性能。
2.1 乐观读的工作原理
- 线程调用
tryOptimisticRead()方法获取一个stamp，表示当前数据的状态。 - 线程读取共享数据。
- 线程调用
validate(stamp)方法验证在读取数据期间，是否有其他线程修改了数据。 - 如果
validate()方法返回true，表示数据没有被修改，读取成功。 - 如果
validate()方法返回false，表示数据已被修改，线程需要升级为读锁或写锁，并重新读取数据。
2.2 乐观读的优势
- 无锁读取： 在数据没有被修改的情况下，乐观读可以避免获取锁的开销，从而提高并发性能。
- 适用于读多写少场景： 乐观读特别适用于读操作远多于写操作的场景，可以显著减少锁的竞争。
2.3 乐观读的局限性
- 数据不一致： 如果在读取数据期间，数据被修改，乐观读可能会读取到不一致的数据。因此，需要通过
validate()方法进行验证，并重新读取数据。 - ABA问题： 乐观读可能会受到ABA问题的影响。如果数据的值从A变为B，然后再变回A，乐观读可能会误认为数据没有被修改。
2.4 乐观读的代码示例
在上面的StampedLockExample类中，tryOptimisticRead()方法演示了乐观读的使用。
3. 悲观读写锁模式
悲观读写锁模式是StampedLock提供的传统读写锁机制，它通过获取读锁或写锁来保证数据的一致性。
3.1 悲观读锁
- 多个线程可以同时持有读锁。
- 读锁会阻止写锁的获取。
- 线程调用
readLock()方法获取读锁，调用unlockRead(stamp)方法释放读锁。
3.2 悲观写锁
- 只有一个线程可以持有写锁。
- 写锁会阻止读锁和写锁的获取。
- 线程调用
writeLock()方法获取写锁，调用unlockWrite(stamp)方法释放写锁。
3.3 悲观读写锁的代码示例
在上面的StampedLockExample类中，readData()和writeData()方法演示了悲观读写锁的使用。
4. 锁升级与锁降级
StampedLock允许读锁升级为写锁，以及写锁降级为读锁。
4.1 锁升级
锁升级是指线程在持有读锁的情况下，将其升级为写锁。StampedLock提供了tryConvertToWriteLock(stamp)方法来实现锁升级。
tryConvertToWriteLock(stamp)： 尝试将读锁升级为写锁。如果当前没有其他线程持有读锁或写锁，则升级成功，返回一个新的stamp。否则，升级失败，返回0。
4.2 锁降级
锁降级是指线程在持有写锁的情况下，将其降级为读锁。锁降级可以通过以下步骤实现：
- 获取写锁。
- 修改共享数据。
- 调用
tryConvertToReadLock(stamp)方法将写锁降级为读锁。 - 释放锁。
4.3 锁升级与锁降级的代码示例
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class StampedLockUpgradeDowngrade {
private final StampedLock lock = new StampedLock();
private int data = 0;
public void updateDataWithUpgrade(int newData) {
long stamp = lock.readLock(); // 获取读锁
try {
if (data != newData) { // 检查是否需要更新
long writeStamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); // 尝试升级为写锁
if (writeStamp == 0L) { // 升级失败，释放读锁并获取写锁
lock.unlockRead(stamp);
writeStamp = lock.writeLock();
}
try {
data = newData; // 修改数据
} finally {
lock.unlockWrite(writeStamp); // 释放写锁
}
}
} finally {
lock.unlockRead(stamp); // 释放读锁
}
}
public int readDataWithDowngrade() {
long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
try {
data++; // 修改数据
long readStamp = lock.tryConvertToReadLock(stamp); // 尝试降级为读锁
if (readStamp == 0L) { // 降级失败，释放写锁并获取读锁
lock.unlockWrite(stamp);
readStamp = lock.readLock();
stamp = readStamp;
}
return data; // 读取数据
} finally {
lock.unlock(stamp); // 释放读锁
}
}
public static void main(String[] args) {
StampedLockUpgradeDowngrade example = new StampedLockUpgradeDowngrade();
// 使用示例：
example.updateDataWithUpgrade(10);
System.out.println("Data after upgrade: " + example.readDataWithDowngrade());
}
}5. StampedLock vs ReentrantReadWriteLock
| 特性 | StampedLock | ReentrantReadWriteLock |
|---|---|---|
| 重入性 | 不支持重入 | 支持重入 |
| 锁模式 | 写锁、读锁、乐观读 | 写锁、读锁 |
| 锁转换 | 允许读锁升级为写锁，以及写锁降级为读锁 | 不支持锁升级和锁降级 |
| 性能 | 在读多写少场景下，性能通常优于ReentrantReadWriteLock，尤其是在使用乐观读时 |
在读写比例均衡或写多读少场景下，性能可能与StampedLock相近 |
| 使用场景 | 适用于读多写少，且对数据一致性要求不高的场景，例如缓存 | 适用于读写比例均衡或写多读少，且对数据一致性要求高的场景，例如数据库 |
| 复杂性 | 使用更复杂，需要手动管理stamp，并处理锁升级和锁降级 |
使用相对简单，不需要手动管理stamp |
| 死锁风险 | 由于不支持重入，使用不当可能导致死锁 | 由于支持重入，死锁风险相对较低 |
| 乐观读 | 支持，允许在不获取锁的情况下读取数据，提高并发性能 | 不支持 |
| CAS操作 | 内部使用CAS操作，避免上下文切换开销 | 使用AQS（AbstractQueuedSynchronizer），可能涉及上下文切换 |
6. 高性能场景下的锁选择
在高性能场景下，选择合适的锁策略至关重要。以下是一些建议：
- 读多写少，且对数据一致性要求不高： 优先考虑
StampedLock的乐观读模式。 - 读多写少，且对数据一致性要求高： 使用
StampedLock的悲观读锁，并考虑锁升级的可能性。 - 读写比例均衡或写多读少，且对数据一致性要求高： 可以考虑使用
ReentrantReadWriteLock，或者使用StampedLock的悲观读写锁。 - 需要重入锁： 只能选择
ReentrantReadWriteLock。
7. 代码示例：缓存场景下的锁选择
假设我们需要实现一个缓存，其中读操作远多于写操作。我们可以使用StampedLock的乐观读模式来提高并发性能。
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class CacheWithStampedLock<K, V> {
private final ConcurrentHashMap<K, V> cache = new ConcurrentHashMap<>();
private final StampedLock lock = new StampedLock();
public V get(K key) {
long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试乐观读
V value = cache.get(key);
if (!lock.validate(stamp)) { // 检查数据是否被修改
stamp = lock.readLock(); // 如果数据被修改，获取读锁
try {
value = cache.get(key); // 重新读取数据
} finally {
lock.unlockRead(stamp); // 释放读锁
}
}
return value;
}
public void put(K key, V value) {
long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
try {
cache.put(key, value); // 写入数据
} finally {
lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
}
}
public static void main(String[] args) {
CacheWithStampedLock<String, Integer> cache = new CacheWithStampedLock<>();
// 使用示例：
cache.put("key1", 100);
System.out.println("Value for key1: " + cache.get("key1"));
}
}在这个示例中，get()方法使用了乐观读模式，只有在数据被修改时才会获取读锁。这可以显著提高缓存的并发性能。
8. 注意事项
- 避免长时间持有锁： 尽量减少持有锁的时间，以减少锁的竞争。
- 避免死锁： 由于
StampedLock不支持重入，需要特别注意避免死锁。 - 选择合适的锁模式： 根据实际场景选择合适的锁模式，以达到最佳的性能。
- 测试： 在实际应用中，需要进行充分的测试，以验证锁策略的正确性和性能。
- ABA问题：乐观锁可能会受到ABA问题的影响，根据场景考虑是否使用版本号等机制解决ABA问题。
最后的话
StampedLock是一个功能强大的读写锁类，它提供了灵活的锁模式和高性能的并发机制。通过合理地使用StampedLock的乐观读和悲观读写锁，可以有效地提高并发程序的性能。希望今天的分享能够帮助大家更好地理解和应用StampedLock。
选择合适的锁，提升并发性能
选择合适的锁策略对于提升并发程序的性能至关重要。StampedLock 提供了乐观读等特性，在读多写少的场景下能够发挥出优势。