StampedLock：乐观读与性能提升
大家好！今天我们来深入探讨一下 StampedLock，这是 Java 8 引入的一个强大的读写锁实现。它在 ReentrantReadWriteLock 的基础上提供了更高级的优化，尤其是在读多写少的场景下，可以显著提升性能。我们将重点关注它的乐观读特性，以及如何利用它来构建更高效的并发程序。
1. 锁的演进与 StampedLock 的诞生
在并发编程中，锁是控制多个线程访问共享资源的关键工具。最基础的锁是互斥锁（Mutex），它保证同一时刻只有一个线程可以持有锁。然而，互斥锁的排他性在读多写少的场景下会造成不必要的性能损失。因为多个线程同时读取共享资源通常是安全的，并不需要互斥。
为了解决这个问题，Java 提供了 ReentrantReadWriteLock，它允许多个线程同时持有读锁，但写锁是独占的。这在一定程度上提升了性能，但在以下情况下仍然存在问题：
- 读写锁的转换代价高昂： 读锁升级为写锁，或者写锁降级为读锁，都需要进行锁的释放和重新获取，这会带来额外的开销。
- 写锁饥饿： 如果读线程持续不断地获取读锁，写线程可能会一直等待，导致写线程饥饿。
StampedLock 的设计目标就是为了解决上述问题。它引入了一种新的锁模式——乐观读，以及一种新的锁状态表示方式——stamp。
2. StampedLock 的核心概念：Stamp 与 乐观读
StampedLock 的核心在于 stamp。stamp 是一个 long 型的数值，它代表了锁的状态。StampedLock 的所有锁操作（包括获取读锁、写锁、释放锁等）都会返回一个 stamp 值。这个 stamp 值在后续的操作中会被用到，例如释放锁时需要传入对应的 stamp 值。
StampedLock 提供了三种锁模式：
- Write Lock (独占写锁): 任何时刻只允许一个线程持有写锁。
- Read Lock (悲观读锁): 允许多个线程同时持有读锁，但会阻塞写锁的获取。
- Optimistic Read (乐观读): 允许在没有写锁的情况下读取共享资源，但不保证读取到的数据是最新的。
乐观读 是 StampedLock 的一个关键特性。它允许线程在不获取任何锁的情况下读取共享资源。在乐观读期间，如果有写线程获取了写锁，乐观读就会失效。因此，乐观读需要在读取完成后进行验证，以确保数据的一致性。
3. StampedLock 的 API 详解
下面我们来详细介绍 StampedLock 的常用 API：
| 方法名称 | 功能描述 | 返回值类型 |
|---|---|---|
readLock() |
获取悲观读锁，阻塞直到获取成功。 | long |
tryReadLock() |
尝试获取悲观读锁，如果立即成功则返回 stamp，否则返回 0。 | long |
tryReadLock(time, unit) |
尝试在指定时间内获取悲观读锁，如果成功则返回 stamp，否则返回 0。 | long |
writeLock() |
获取独占写锁，阻塞直到获取成功。 | long |
tryWriteLock() |
尝试获取独占写锁，如果立即成功则返回 stamp，否则返回 0。 | long |
tryWriteLock(time, unit) |
尝试在指定时间内获取独占写锁，如果成功则返回 stamp，否则返回 0。 | long |
tryOptimisticRead() |
尝试进行乐观读，如果当前没有写锁，则返回一个非 0 的 stamp 值，否则返回 0。 | long |
validate(stamp) |
验证乐观读期间是否有写锁被获取。如果返回 true，则表示乐观读有效，否则表示乐观读无效，需要重新读取。 | boolean |
unlockRead(stamp) |
释放悲观读锁。 | void |
unlockWrite(stamp) |
释放独占写锁。 | void |
unlock(stamp) |
释放锁，根据 stamp 值的类型自动释放读锁或写锁。 | void |
readLockInterruptibly() |
获取悲观读锁，允许中断。 | long |
writeLockInterruptibly() |
获取独占写锁，允许中断。 | long |
tryConvertToWriteLock(stamp) |
如果当前 stamp 持有的是读锁或者乐观读锁，尝试将其转换为写锁，如果成功则返回新的 stamp 值，否则返回 0。 | long |
tryConvertToReadLock(stamp) |
如果当前 stamp 持有的是写锁，尝试将其转换为读锁，如果成功则返回新的 stamp 值，否则返回 0。 | long |
tryConvertToOptimisticRead(stamp) |
如果当前 stamp 持有的是读锁或者写锁，尝试将其转换为乐观读锁，如果成功则返回新的 stamp 值，否则返回 0。 | long |
4. 乐观读的实现方式与代码示例
下面是一个使用 StampedLock 实现乐观读的示例：
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class Point {
private double x, y;
private final StampedLock sl = new StampedLock();
void move(double deltaX, double deltaY) {
long stamp = sl.writeLock();
try {
x += deltaX;
y += deltaY;
} finally {
sl.unlockWrite(stamp);
}
}
double distanceFromOrigin() {
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
double currentX = x, currentY = y;
if (!sl.validate(stamp)) {
stamp = sl.readLock();
try {
currentX = x;
currentY = y;
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
}
public static void main(String[] args) {
Point point = new Point();
// 读线程
Runnable reader = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
double distance = point.distanceFromOrigin();
System.out.println("Distance from origin: " + distance);
try {
Thread.sleep(1); // 模拟读取操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// 写线程
Runnable writer = () -> {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
point.move(1, 1);
System.out.println("Moved point to (" + point.x + ", " + point.y + ")");
try {
Thread.sleep(10); // 模拟写入操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
Thread readThread1 = new Thread(reader);
Thread readThread2 = new Thread(reader);
Thread writeThread = new Thread(writer);
readThread1.start();
readThread2.start();
writeThread.start();
try {
readThread1.join();
readThread2.join();
writeThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}在这个例子中，distanceFromOrigin() 方法使用了乐观读。它首先尝试获取一个乐观读的 stamp 值。然后，它读取 x 和 y 的值。最后，它使用 validate() 方法验证乐观读是否有效。如果 validate() 返回 true，则表示在读取期间没有写线程获取写锁，读取到的数据是有效的。如果 validate() 返回 false，则表示乐观读失效，需要重新获取悲观读锁，并重新读取数据。
5. 乐观读的适用场景
乐观读最适合读多写少的场景，并且对数据一致性的要求不是特别严格的情况。例如：
- 缓存： 从缓存中读取数据时，可以使用乐观读。即使读取到的数据不是最新的，也可以接受，因为缓存本身就存在一定的延迟。
- 统计信息： 统计信息的读取可以使用乐观读。即使读取到的统计信息不是绝对精确的，也可以满足需求。
- 配置信息： 读取配置信息时，可以使用乐观读。即使读取到的配置信息不是最新的，通常不会对程序的运行产生严重的影响。
6. 锁转换：提升灵活性的利器
StampedLock 提供了锁转换的功能，允许在不同的锁模式之间进行转换。这在某些场景下可以提升性能和灵活性。例如，可以先尝试乐观读，如果乐观读失效，再尝试转换为悲观读锁；或者在某些条件下，将读锁升级为写锁。
StampedLock 提供了以下方法进行锁转换：
tryConvertToWriteLock(long stamp): 尝试将读锁或乐观读锁转换为写锁。tryConvertToReadLock(long stamp): 尝试将写锁转换为读锁。tryConvertToOptimisticRead(long stamp): 尝试将读锁或写锁转换为乐观读锁。
锁转换的使用需要谨慎，因为不正确的锁转换可能会导致死锁或其他并发问题。
7. StampedLock 的注意事项
在使用 StampedLock 时，需要注意以下几点：
- 必须释放锁： 无论使用哪种锁模式，都必须在 finally 块中释放锁，以避免死锁。
- stamp 值的正确使用： 释放锁时，必须使用对应的
stamp值。错误的stamp值会导致异常。 - 避免长时间持有锁： 尽量缩短持有锁的时间，以减少其他线程的等待时间。
- 注意锁的公平性：
StampedLock不保证锁的公平性。在竞争激烈的场景下，可能会出现某些线程一直无法获取锁的情况。 - 避免在持有锁的情况下执行耗时操作： 在持有锁的情况下执行耗时操作会导致其他线程的阻塞，降低并发性能。
- StampedLock 不可重入： StampedLock 不支持锁的重入，即同一个线程不能重复获取同一个锁。
8. StampedLock 与 ReentrantReadWriteLock 的比较
StampedLock 和 ReentrantReadWriteLock 都是读写锁的实现，但它们在设计和使用上有一些重要的区别：
| 特性 | StampedLock | ReentrantReadWriteLock |
|---|---|---|
| 锁模式 | 乐观读、悲观读、写锁 | 读锁、写锁 |
| Stamp | 使用 long 型的 stamp 值来表示锁的状态。 | 无 stamp 概念。 |
| 锁转换 | 支持锁转换，例如将读锁转换为写锁。 | 不支持直接的锁转换，需要先释放锁再重新获取。 |
| 公平性 | 不保证锁的公平性。 | 可以选择公平锁或非公平锁。 |
| 可重入性 | 不支持锁的重入。 | 支持锁的重入。 |
| 性能 | 在读多写少的场景下，由于乐观读的存在，通常比 ReentrantReadWriteLock 具有更高的性能。 |
在写多读少的场景下，或者需要保证锁的公平性的情况下，可能更适合使用 ReentrantReadWriteLock。 |
| 使用复杂度 | 使用相对复杂，需要正确处理 stamp 值和锁的释放。 | 使用相对简单。 |
| 适用场景 | 读多写少，对数据一致性要求不是特别严格的场景。 | 需要保证锁的公平性，或者需要锁的重入性的场景。 |
在选择使用 StampedLock 还是 ReentrantReadWriteLock 时，需要根据具体的应用场景进行权衡。
9. 总结：选择合适的锁，提升并发效率
StampedLock 是 Java 并发包中一个强大而灵活的工具，它通过引入乐观读和锁转换等特性，在读多写少的场景下可以显著提升性能。然而，StampedLock 的使用也更加复杂，需要开发者仔细理解其工作原理，并正确处理 stamp 值和锁的释放。在选择锁的类型时，需要根据具体的应用场景进行权衡，选择最合适的锁，才能达到最佳的并发性能。