Java的StampedLock：如何实现读锁的饥饿（Starvation）预防机制 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

Java StampedLock：读锁饥饿预防机制深度解析

大家好！今天我们来深入探讨Java并发编程中一个重要的工具——StampedLock，特别是它如何处理读锁饥饿的问题。StampedLock是JDK 8引入的，是对ReentrantReadWriteLock的一个重要补充，它提供了更灵活的锁模式，但也引入了一些复杂性，其中读锁饥饿就是一个需要特别关注的点。

什么是读锁饥饿？

在ReentrantReadWriteLock中，如果写线程持续到达，读线程可能会长时间无法获取锁，即使读线程的数量很多。这就是所谓的读锁饥饿。原因很简单：ReentrantReadWriteLock在有写线程等待时，倾向于优先满足写线程，以保证写操作的及时性。然而，在高并发的读多写少的场景下，这种策略可能导致读线程一直被延迟执行。

StampedLock的设计目标之一就是解决这个问题。它通过引入"乐观读"模式和"悲观读"模式，以及灵活的锁转换机制，允许开发者根据实际情况选择合适的锁策略，从而更好地平衡读写线程的执行。

StampedLock的基本工作原理

StampedLock的核心是一个long类型的stamp值，它代表锁的状态。StampedLock提供了三种锁模式：

写锁（Write Lock）： 独占锁，任何时候只有一个线程可以持有写锁。
悲观读锁（Read Lock）： 共享锁，多个线程可以同时持有悲观读锁，但持有悲观读锁时，不允许获取写锁。
乐观读锁（Optimistic Read Lock）： 一种特殊的读模式，它不实际持有锁，而只是记录一个stamp值，并在读取数据后验证stamp值是否发生变化。

这三种锁模式通过StampedLock提供的不同方法进行获取和释放：

方法名	锁模式	描述
`writeLock()`	写锁	获取写锁，阻塞直到没有其他线程持有读锁或写锁。
`tryWriteLock()`	写锁	尝试获取写锁，如果立即成功则返回一个非零stamp值，否则返回0。
`readLock()`	悲观读锁	获取悲观读锁，阻塞直到没有线程持有写锁。
`tryReadLock()`	悲观读锁	尝试获取悲观读锁，如果立即成功则返回一个非零stamp值，否则返回0。
`tryOptimisticRead()`	乐观读锁	尝试获取乐观读锁，总是立即返回一个stamp值。
`validate(stamp)`	乐观读锁	验证乐观读锁的stamp值是否有效。如果验证通过，表示在读取数据期间没有写操作发生；否则，表示数据可能已过期，需要重新获取锁进行读取。
`unlockWrite(stamp)`	写锁	释放写锁。
`unlockRead(stamp)`	悲观读锁	释放悲观读锁。
`unlock(stamp)`	通用	通用释放锁的方法，可以释放写锁或悲观读锁。根据stamp值判断释放哪种锁。
`tryConvertToWriteLock(stamp)`	锁转换	尝试将读锁转换为写锁。这可以是从乐观读锁或悲观读锁转换而来。如果转换成功，返回一个新的stamp值；否则，返回0。
`tryConvertToReadLock(stamp)`	锁转换	尝试将写锁转换为读锁。如果转换成功，返回一个新的stamp值；否则，返回0。

StampedLock如何预防读锁饥饿

StampedLock预防读锁饥饿的主要手段是乐观读和灵活的锁转换机制。

乐观读模式: 乐观读模式允许读线程在没有实际获取锁的情况下读取数据。这降低了读线程之间的竞争，减少了读线程被写线程阻塞的可能性。如果验证失败，读线程可以选择升级到悲观读锁或者直接重试。
锁转换机制: StampedLock允许线程在持有锁的情况下尝试将锁转换为另一种模式。例如，持有悲观读锁的线程可以尝试转换为写锁，而不需要先释放读锁再获取写锁。这种机制减少了锁释放和获取的开销，也降低了读线程被写线程插队的可能性。
公平性策略: StampedLock本身不提供公平性保证。这意味着，即使有等待时间较长的读线程，新到达的写线程仍然有可能抢先获取锁。然而，开发者可以通过自定义策略来实现某种程度的公平性，例如，通过记录线程的等待时间，并在获取锁时优先考虑等待时间较长的线程。

乐观读模式的实现和验证

下面是一个使用乐观读锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class OptimisticReadExample {

    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int data = 0;

    public int readData() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
        int currentData = data; // 读取数据
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 验证stamp是否有效
            stamp = stampedLock.readLock(); // 升级到悲观读锁
            try {
                currentData = data; // 重新读取数据
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return currentData;
    }

    public void writeData(int newData) {
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        OptimisticReadExample example = new OptimisticReadExample();

        // 写入数据
        example.writeData(100);

        // 读取数据
        int readValue = example.readData();
        System.out.println("Read value: " + readValue); // 输出: Read value: 100

        // 再次写入数据
        example.writeData(200);

        // 再次读取数据
        readValue = example.readData();
        System.out.println("Read value: " + readValue); // 输出: Read value: 200
    }
}

在这个例子中，readData()方法首先尝试获取乐观读锁。如果validate()方法返回true，表示在读取数据期间没有写操作发生，可以直接返回读取到的数据。如果validate()方法返回false，表示数据可能已过期，需要升级到悲观读锁，重新读取数据，并释放悲观读锁。

悲观读模式的实现

下面是一个使用悲观读锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class PessimisticReadExample {

    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int data = 0;

    public int readData() {
        long stamp = stampedLock.readLock(); // 获取悲观读锁
        try {
            return data; // 读取数据
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
        }
    }

    public void writeData(int newData) {
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PessimisticReadExample example = new PessimisticReadExample();

        // 写入数据
        example.writeData(100);

        // 读取数据
        int readValue = example.readData();
        System.out.println("Read value: " + readValue);

        // 再次写入数据
        example.writeData(200);

        // 再次读取数据
        readValue = example.readData();
        System.out.println("Read value: " + readValue);
    }
}

在这个例子中，readData()方法直接获取悲观读锁，然后读取数据，最后释放悲观读锁。这种方式比较简单，但效率相对较低，因为读线程需要等待写线程释放锁才能获取读锁。

锁转换机制的实现

下面是一个使用锁转换机制的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class LockConversionExample {

    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int data = 0;

    public void updateData(int newData) {
        long stamp = stampedLock.readLock(); // 获取悲观读锁
        try {
            if (data != newData) { // 如果数据需要更新
                long writeStamp = stampedLock.tryConvertToWriteLock(stamp); // 尝试转换为写锁
                if (writeStamp != 0L) { // 转换成功
                    stamp = writeStamp;
                    data = newData; // 更新数据
                } else { // 转换失败，释放读锁并获取写锁
                    stampedLock.unlockRead(stamp);
                    stamp = stampedLock.writeLock();
                    try {
                        data = newData; // 更新数据
                    } finally {
                        stampedLock.unlockWrite(stamp);
                    }
                }
            }
        } finally {
            stampedLock.unlock(stamp); // 释放锁
        }
    }

    public int readData() {
        long stamp = stampedLock.readLock();
        try {
            return data;
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockConversionExample example = new LockConversionExample();

        // 读取数据
        System.out.println("Initial data: " + example.readData());

        // 更新数据
        example.updateData(100);
        System.out.println("Data after update: " + example.readData());

        // 再次更新数据
        example.updateData(200);
        System.out.println("Data after second update: " + example.readData());
    }
}

在这个例子中，updateData()方法首先获取悲观读锁，然后判断数据是否需要更新。如果需要更新，则尝试将读锁转换为写锁。如果转换成功，则直接更新数据。如果转换失败，则释放读锁，获取写锁，更新数据，并释放写锁。这种方式可以避免先释放读锁再获取写锁的开销，提高效率。

如何选择合适的锁模式？

选择合适的锁模式需要根据具体的应用场景进行考虑。

读多写少的场景：优先考虑乐观读模式。乐观读模式可以降低读线程之间的竞争，提高并发性能。
写多读少的场景：可以使用悲观读模式，但需要注意读锁饥饿的问题。可以考虑使用一些公平性策略来缓解读锁饥饿。
读写比例均衡的场景：可以使用锁转换机制，根据实际情况动态地将读锁转换为写锁，或者将写锁转换为读锁。

自定义公平性策略的实现

由于StampedLock本身不提供公平性保证，开发者可以通过自定义策略来实现某种程度的公平性。一种简单的实现方式是使用一个队列来记录等待获取锁的线程，并在获取锁时优先考虑等待时间较长的线程。

下面是一个简单的示例代码：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class FairStampedLock {

    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private final LinkedBlockingQueue<Thread> waitingQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

    public long readLock() throws InterruptedException {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        waitingQueue.add(currentThread);
        long stamp = 0;
        try {
            while ((stamp = stampedLock.tryReadLock()) == 0) {
                if (!waitingQueue.peek().equals(currentThread)) {
                    // 如果当前线程不是队列头部线程，则等待
                    synchronized (this) {
                        wait();
                    }
                } else {
                    // 如果当前线程是队列头部线程，则尝试获取锁
                    if ((stamp = stampedLock.tryReadLock()) != 0) {
                        break;
                    } else {
                        // 获取锁失败，让出CPU
                        Thread.yield();
                    }
                }
            }
        } finally {
            waitingQueue.remove(currentThread);
            if (stamp != 0) {
                return stamp;
            } else {
                // 如果在等待过程中被中断，则需要释放已经添加的线程
                return 0;
            }
        }
    }

    public void unlockRead(long stamp) {
        stampedLock.unlockRead(stamp);
        synchronized (this) {
            notifyAll(); // 唤醒等待队列中的线程
        }
    }

    public long writeLock() throws InterruptedException {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        waitingQueue.add(currentThread);
        long stamp = 0;
        try {
            while ((stamp = stampedLock.tryWriteLock()) == 0) {
                if (!waitingQueue.peek().equals(currentThread)) {
                    // 如果当前线程不是队列头部线程，则等待
                    synchronized (this) {
                        wait();
                    }
                } else {
                    // 如果当前线程是队列头部线程，则尝试获取锁
                    if ((stamp = stampedLock.tryWriteLock()) != 0) {
                        break;
                    } else {
                        // 获取锁失败，让出CPU
                        Thread.yield();
                    }
                }
            }
        } finally {
            waitingQueue.remove(currentThread);
            if (stamp != 0) {
                return stamp;
            } else {
                // 如果在等待过程中被中断，则需要释放已经添加的线程
                return 0;
            }
        }
    }

    public void unlockWrite(long stamp) {
        stampedLock.unlockWrite(stamp);
        synchronized (this) {
            notifyAll(); // 唤醒等待队列中的线程
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FairStampedLock fairStampedLock = new FairStampedLock();

        // 创建多个线程，模拟并发读写
        Thread[] threads = new Thread[5];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            final int threadId = i;
            threads[i] = new Thread(() -> {
                try {
                    if (threadId % 2 == 0) {
                        // 偶数线程执行读操作
                        long stamp = fairStampedLock.readLock();
                        try {
                            System.out.println("Thread " + threadId + " acquired read lock");
                            Thread.sleep(100); // 模拟读操作
                        } finally {
                            fairStampedLock.unlockRead(stamp);
                            System.out.println("Thread " + threadId + " released read lock");
                        }
                    } else {
                        // 奇数线程执行写操作
                        long stamp = fairStampedLock.writeLock();
                        try {
                            System.out.println("Thread " + threadId + " acquired write lock");
                            Thread.sleep(200); // 模拟写操作
                        } finally {
                            fairStampedLock.unlockWrite(stamp);
                            System.out.println("Thread " + threadId + " released write lock");
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        // 等待所有线程执行完成
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
    }
}

在这个例子中，readLock()和writeLock()方法首先将当前线程添加到等待队列中。然后，在一个循环中，线程会检查自己是否是队列头部线程。如果是，则尝试获取锁。如果获取锁成功，则退出循环。如果获取锁失败，则让出CPU，等待下次机会。如果当前线程不是队列头部线程，则进入等待状态，直到被其他线程唤醒。unlockRead()和unlockWrite()方法在释放锁后，会唤醒等待队列中的所有线程，让它们重新竞争锁。

需要注意的是，这个示例代码只是一个简单的演示，并没有考虑所有的并发情况，例如线程中断。在实际应用中，需要根据具体的需求进行修改和完善。此外，这种自定义的公平性策略会带来额外的性能开销，需要根据实际情况进行权衡。

StampedLock的限制和注意事项

虽然StampedLock提供了更灵活的锁模式，但也存在一些限制和需要注意的地方：

不可重入: StampedLock是不可重入的。如果一个线程已经持有了锁，再次尝试获取锁会导致死锁。
必须释放锁: 必须确保在任何情况下都释放锁，否则会导致死锁或其他问题。通常建议在try-finally块中释放锁。
stamp值失效: 如果在持有乐观读锁期间，有写操作发生，validate()方法会返回false，表示stamp值失效。此时，需要重新获取锁进行读取。
不支持条件变量: StampedLock不支持条件变量（Condition）。如果需要使用条件变量，可以考虑使用ReentrantReadWriteLock或ReentrantLock。
可能出现活锁：在高并发场景下，线程可能不断尝试获取锁，但由于其他线程的竞争，始终无法成功获取锁，从而导致活锁。

总结：读写平衡与性能考量

StampedLock通过乐观读、悲观读和锁转换机制，为开发者提供了更灵活的锁模式，可以在一定程度上缓解读锁饥饿的问题。然而，StampedLock本身不提供公平性保证，开发者可能需要自定义公平性策略。在选择锁模式时，需要根据具体的应用场景进行权衡，考虑读写比例、并发程度、性能要求等因素，选择最合适的锁策略。理解StampedLock的原理和限制，才能更好地利用它来构建高效、可靠的并发程序。