Java中的读写锁StampedLock：实现乐观读的高性能并发访问

Java 并发利器：StampedLock 实现乐观读的高性能并发访问

大家好，今天我们来深入探讨 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中一个强大且相对较新的工具：StampedLock。 传统的 ReentrantReadWriteLock 虽然提供了读写分离的锁机制，但在某些高并发读多写少的场景下，其性能瓶颈会逐渐显现。StampedLock 的出现，正是为了解决这类问题，它引入了乐观读的概念，极大地提升了并发读取的性能。

1. 锁机制回顾：ReentrantReadWriteLock 的局限性

在深入 StampedLock 之前，我们先简单回顾一下 ReentrantReadWriteLock。ReentrantReadWriteLock 维护了一对关联的锁：一个用于只读操作，一个用于写入操作。 多个读线程可以同时持有读锁，但写锁是独占的，即同一时刻只能有一个写线程持有写锁，并且写锁会阻塞所有的读线程和写线程。

这种机制保证了数据的一致性，但在高并发读多写少的场景中，即使只有极少数的写操作，所有的读操作仍然需要等待写操作完成才能进行。 这会造成大量的线程阻塞和上下文切换，从而降低整体的吞吐量。

以下是一个简单的 ReentrantReadWriteLock 的使用示例：

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class ReadWriteData {
    private int data;
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public int readData() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void writeData(int newData) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

2. StampedLock 的特性：灵活的锁模式

StampedLock 提供了三种锁模式：

• 写锁 (Write Lock)： 独占锁，与 ReentrantReadWriteLock 的写锁类似。任何线程获取写锁后，其他线程（包括读线程和写线程）都将被阻塞。

• 悲观读锁 (Read Lock)： 类似于 ReentrantReadWriteLock 的读锁。多个读线程可以同时持有悲观读锁，但当有线程持有写锁时，所有读线程将被阻塞。

• 乐观读 (Optimistic Read)： 这是 StampedLock 的核心特性。乐观读允许在没有写锁的情况下进行读取操作。 在读取过程中，会先获取一个 stamp 值，该 stamp 值可以用来验证读取操作期间是否发生了写操作。 如果发生了写操作，则需要将乐观读升级为悲观读锁，或者重试读取。

StampedLock 的关键在于 stamp 值。 它是 long 类型，用于表示锁的状态。 当获取锁成功时，会返回一个非零的 stamp 值。 当锁被释放或锁无效时，stamp 值会变为零。

与 ReentrantReadWriteLock 相比，StampedLock 具有以下优点：

• 更高的性能： 乐观读避免了不必要的线程阻塞，在高并发读多写少的场景下，性能提升显著。

• 更灵活的锁模式转换： StampedLock 允许在不同的锁模式之间进行转换，例如从乐观读升级为悲观读锁，或者从读锁转换为写锁。

• 不可重入性： StampedLock 不支持重入。如果一个线程已经持有某个锁，再次尝试获取该锁将会导致死锁。 这也是 StampedLock 的一个限制，需要在使用时注意。

3. StampedLock 的使用：三种锁模式的代码示例

下面我们分别演示 StampedLock 的三种锁模式的使用方法：

3.1 写锁 (Write Lock)

写锁的使用方式与 ReentrantReadWriteLock 的写锁类似。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedData {
    private int data;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public void writeData(int newData) {
        long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            data = newData;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }
}

writeLock() 方法会阻塞当前线程，直到获取写锁。 获取锁成功后，会返回一个 stamp 值。 在 finally 块中，使用 unlockWrite(stamp) 方法释放写锁。 必须确保 stamp 值与获取锁时返回的值一致，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

3.2 悲观读锁 (Read Lock)

悲观读锁的使用方式也与 ReentrantReadWriteLock 的读锁类似。

public class StampedData {
    private int data;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public int readDataWithReadLock() {
        long stamp = lock.readLock(); // 获取悲观读锁
        try {
            return data;
        } finally {
            lock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
        }
    }
}

readLock() 方法会阻塞当前线程，直到获取悲观读锁。 获取锁成功后，会返回一个 stamp 值。 在 finally 块中，使用 unlockRead(stamp) 方法释放悲观读锁。 同样，必须确保 stamp 值与获取锁时返回的值一致。

3.3 乐观读 (Optimistic Read)

乐观读是 StampedLock 的精髓所在。

public class StampedData {
    private int data;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public int readDataOptimistically() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读
        int currentData = data; // 读取数据
        if (!lock.validate(stamp)) { // 验证读取期间是否发生写操作
            stamp = lock.readLock(); // 升级为悲观读锁
            try {
                currentData = data; // 重新读取数据
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return currentData;
    }
}

• tryOptimisticRead() 方法尝试获取乐观读，如果当前没有写锁，则立即返回一个非零的 stamp 值。 如果当前有写锁，则返回零。 注意，tryOptimisticRead() 不会阻塞 当前线程。

• 在读取数据之后，使用 validate(stamp) 方法验证读取期间是否发生了写操作。 如果 validate(stamp) 返回 true，则说明读取期间没有发生写操作，读取的数据是有效的。 如果 validate(stamp) 返回 false，则说明读取期间发生了写操作，读取的数据可能已经过期，需要将乐观读升级为悲观读锁，并重新读取数据。

• 如果 validate(stamp) 返回 false，则使用 readLock() 方法获取悲观读锁，并重新读取数据。 在 finally 块中，使用 unlockRead(stamp) 方法释放悲观读锁。

乐观读的流程可以概括为：

1. 尝试获取乐观读。
2. 读取数据。
3. 验证数据是否有效。
4. 如果数据无效，则升级为悲观读锁，并重新读取数据。
5. 返回数据。

3.4 锁模式转换

StampedLock 提供了锁模式转换的功能，例如从乐观读升级为悲观读锁，或者从读锁转换为写锁。

• 从乐观读升级为悲观读锁： 在上面的 readDataOptimistically() 方法中已经演示了如何从乐观读升级为悲观读锁。

• 从读锁转换为写锁： 可以使用 tryConvertToWriteLock(long stamp) 方法尝试将读锁转换为写锁。

  public void updateData(int newData) {
      long stamp = lock.readLock(); // 获取读锁
      try {
          while (true) {
              long writeStamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); // 尝试转换为写锁
              if (writeStamp != 0L) { // 转换成功
                  stamp = writeStamp;
                  data = newData; // 更新数据
                  break;
              } else { // 转换失败，释放读锁，获取写锁
                  lock.unlockRead(stamp);
                  stamp = lock.writeLock();
              }
          }
      } finally {
          lock.unlock(stamp); // 释放锁
      }
  }

  tryConvertToWriteLock(long stamp) 方法会尝试将 stamp 值对应的锁转换为写锁。 如果转换成功，则返回一个新的 stamp 值。 如果转换失败，则返回零。 如果转换失败，需要先释放读锁，再获取写锁。 unlock(stamp) 可以根据 stamp 值判断是读锁还是写锁，并进行释放。

  注意： tryConvertToWriteLock 可能会导致饥饿，如果长时间无法成功转换，可能会导致线程一直等待。

4. StampedLock 的适用场景

StampedLock 非常适合以下场景：

• 读多写少： 在这种场景下，乐观读可以避免大量的线程阻塞，从而提高整体的吞吐量。

• 数据一致性要求不高： 乐观读允许读取到过期的数据，因此不适合对数据一致性要求非常高的场景。 如果需要强一致性，应该使用悲观读锁或写锁。

• 读操作耗时较短： 如果读操作耗时较长，那么乐观读的优势将不明显。 因为在读取过程中，发生写操作的概率会增加，导致需要频繁地升级为悲观读锁。

5. StampedLock 的注意事项

在使用 StampedLock 时，需要注意以下事项：

• 不可重入性： StampedLock 不支持重入。 如果一个线程已经持有某个锁，再次尝试获取该锁将会导致死锁。

• stamp 值的正确使用： 必须确保 stamp 值与获取锁时返回的值一致，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

• 锁模式转换的谨慎使用： 锁模式转换可能会导致饥饿，需要谨慎使用。

• 避免长时间持有锁： 尽量避免长时间持有锁，以减少线程阻塞的可能性。

6. StampedLock 与 ReentrantReadWriteLock 的对比

特性	ReentrantReadWriteLock	StampedLock
锁模式	读锁、写锁	写锁、悲观读锁、乐观读
重入性	支持重入	不支持重入
锁模式转换	不支持	支持从乐观读升级为悲观读锁，读锁转换为写锁
性能	较低 (高并发读写)	较高 (高并发读多写少， 乐观读避免阻塞)
适用场景	读写比例均衡	读多写少，数据一致性要求不高
是否允许空读	允许	允许 (通过乐观读)
是否允许写饥饿	可能	可能 (tryConvertToWriteLock 可能会导致写饥饿)
是否基于AQS	是	否

7. 一个更完整的例子：缓存实现

以下是一个使用 StampedLock 实现的简单缓存示例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedCache<K, V> {

    private final Map<K, V> cache = new HashMap<>();
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public V get(K key) {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        V value = cache.get(key);
        if (!lock.validate(stamp)) {
            stamp = lock.readLock();
            try {
                value = cache.get(key);
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return value;
    }

    public void put(K key, V value) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            cache.put(key, value);
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public void remove(K key) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            cache.remove(key);
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}

这个例子展示了如何使用 StampedLock 实现一个线程安全的缓存。 get() 方法使用乐观读来提高读取性能，put() 和 remove() 方法使用写锁来保证数据的一致性.

8. 使用场景选择的小建议

• 如果读写比例均衡，或者对数据一致性要求非常高，那么 ReentrantReadWriteLock 可能更适合。
• 如果读多写少，并且可以容忍短暂的数据不一致，那么 StampedLock 的乐观读可以带来显著的性能提升。
• 在选择 StampedLock 时，要仔细考虑锁模式转换的成本，并避免长时间持有锁。

9. 灵活的锁机制，更高的并发性能

StampedLock 通过引入乐观读的概念，在读多写少的场景下，提供了一种高性能的并发访问机制。 开发者可以根据实际需求，灵活地选择不同的锁模式，从而优化程序的性能。理解 StampedLock 的原理和使用方法，能够帮助我们编写出更高效、更可靠的并发程序。