StampedLock的乐观读模式：使用版本戳（Stamp）避免锁竞争的实现细节

大家好，今天我们来深入探讨 java.util.concurrent.locks.StampedLock 类，特别是它的乐观读模式。StampedLock 是 JDK 8 引入的一种读写锁，它在某些场景下比 ReentrantReadWriteLock 具有更好的性能。本文将重点分析 StampedLock 如何利用版本戳（Stamp）来减少锁竞争，实现高效的并发读取。

1. StampedLock 简介

StampedLock 提供了三种模式的锁：

写锁 (Write Lock): writeLock() 和 tryWriteLock() 方法获取写锁。写锁是独占锁，一次只允许一个线程持有。
读锁 (Read Lock): readLock() 和 tryReadLock() 方法获取读锁。读锁是共享锁，允许多个线程同时持有。
乐观读锁 (Optimistic Read Lock): tryOptimisticRead() 方法尝试获取乐观读锁。这是一种非阻塞的读模式，获取锁后，需要通过 validate() 方法验证数据是否被修改过。

与 ReentrantReadWriteLock 相比，StampedLock 最大的特点是引入了 Stamp 的概念。Stamp 可以理解为一个版本号或者时间戳，用于跟踪锁的状态。所有锁操作（包括读写锁和乐观读锁）都会返回一个 Stamp 值。这个 Stamp 值在后续的解锁和验证操作中会被用到。

2. 乐观读锁的核心思想

乐观读锁的核心思想是：假设在读取数据期间，数据不会被修改。 因此，在读取数据之前，不需要获取任何锁。读取数据之后，需要验证数据是否被修改过。如果数据被修改过，则需要升级到悲观读锁，重新读取数据。

这种模式适用于读多写少的场景，因为它可以避免在读取数据时获取锁的开销。

3. 乐观读锁的使用步骤

使用乐观读锁通常包含以下几个步骤：

获取 Stamp: 调用 tryOptimisticRead() 方法尝试获取乐观读锁。该方法会立即返回一个 Stamp 值。
读取数据: 在没有锁的情况下，读取共享数据。
验证 Stamp: 调用 validate(stamp) 方法验证 Stamp 值是否有效。如果 Stamp 值有效，则表示在读取数据期间，没有其他线程获取写锁。如果 Stamp 值无效，则表示数据可能已被修改，需要升级到悲观读锁。
升级到悲观读锁 (可选): 如果 Stamp 值无效，可以调用 readLock() 方法获取悲观读锁，然后重新读取数据。
解锁 (如果升级到悲观读锁): 如果升级到了悲观读锁，在使用完数据后，需要调用 unlockRead(stamp) 方法释放悲观读锁。

4. 代码示例

以下是一个简单的示例，演示如何使用 StampedLock 的乐观读模式：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample {

    private final StampedLock lock = new StampedLock();
    private int x = 0;
    private int y = 0;

    public void moveIfAtOrigin(int newX, int newY) {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 获取乐观读锁
        int currentX = x;
        int currentY = y;

        if (currentX == 0 && currentY == 0) {
            long writeStamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); // 尝试将乐观读锁转换为写锁
            if (writeStamp == 0L) { // 转换失败，说明有其他线程干扰
                writeStamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
                try {
                    x = newX;
                    y = newY;
                } finally {
                    lock.unlockWrite(writeStamp); // 释放写锁
                }
            } else { // 转换成功
                try {
                    x = newX;
                    y = newY;
                } finally {
                    lock.unlockWrite(writeStamp); // 释放写锁
                }
            }
        } else {
            if (lock.validate(stamp)) { // 验证乐观读锁是否有效
                System.out.println("Optimistic read valid, x = " + currentX + ", y = " + currentY);
            } else {
                long readStamp = lock.readLock(); // 获取悲观读锁
                try {
                    currentX = x;
                    currentY = y;
                    System.out.println("Pessimistic read valid, x = " + currentX + ", y = " + currentY);
                } finally {
                    lock.unlockRead(readStamp); // 释放悲观读锁
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        StampedLockExample example = new StampedLockExample();
        example.moveIfAtOrigin(10, 20);

        // 模拟并发场景
        new Thread(() -> {
            example.moveIfAtOrigin(30, 40);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            example.moveIfAtOrigin(50, 60);
        }).start();
    }
}

在这个例子中，moveIfAtOrigin() 方法首先尝试获取乐观读锁。如果 x 和 y 都是 0，则尝试将乐观读锁转换为写锁。如果转换失败，则获取写锁，更新 x 和 y 的值，并释放写锁。如果乐观读锁有效，则直接打印 x 和 y 的值。如果乐观读锁无效，则获取悲观读锁，重新读取 x 和 y 的值，并释放悲观读锁。

5. Stamp 的作用和实现细节

Stamp 在 StampedLock 中扮演着至关重要的角色。它不仅用于标识锁的状态，还用于解锁和验证操作。

锁状态标识: Stamp 的值可以反映锁的状态。例如，一个非零的 Stamp 值可能表示当前持有读锁或写锁，而一个零值可能表示当前没有线程持有锁。
解锁和验证: 在解锁和验证操作中，需要提供之前获取的 Stamp 值。StampedLock 会检查提供的 Stamp 值是否与当前锁的状态匹配。如果不匹配，则解锁或验证操作会失败。

StampedLock 的内部实现使用了一个 state 变量来存储锁的状态。state 变量是一个 long 类型的值，它包含了以下信息：

写锁持有者: 如果写锁被持有，则 state 变量的高位部分会存储持有写锁的线程 ID。
读锁计数器: 如果读锁被持有，则 state 变量的低位部分会存储读锁的计数器。
乐观读锁状态: state 变量也可以指示当前是否处于乐观读模式。

tryOptimisticRead() 方法实际上只是读取了当前的 state 值，并将其作为 Stamp 返回。validate(stamp) 方法会再次读取 state 值，并将其与之前获取的 Stamp 值进行比较。如果两个值相等，则表示在读取数据期间，锁的状态没有发生变化，乐观读锁仍然有效。

6. 乐观读锁的优势和局限性

优势：

减少锁竞争: 乐观读锁避免了在读取数据时获取锁的开销，从而减少了锁竞争。
提高吞吐量: 在高并发的读多写少场景下，乐观读锁可以显著提高系统的吞吐量。

局限性：

需要验证: 使用乐观读锁需要进行验证，增加了代码的复杂性。
ABA 问题: 乐观读锁可能存在 ABA 问题。ABA 问题是指，在读取数据期间，数据的值从 A 变为 B，然后再变回 A。虽然数据的值最终没有发生变化，但实际上数据已经被修改过。StampedLock 无法检测到 ABA 问题。
不适用于所有场景: 乐观读锁只适用于读多写少的场景。如果写操作非常频繁，则乐观读锁可能会导致频繁的验证失败，从而降低性能。

7. 乐观读锁与 ReentrantReadWriteLock 的比较

特性	StampedLock (乐观读)	ReentrantReadWriteLock
锁模式	乐观读锁，悲观读锁，写锁	读锁，写锁
锁重入性	不可重入 (写锁可以转换为读锁，但读锁不可重入)	可重入
性能	读多写少场景下通常更高效	读写比例不明确或写多读少场景下可能更合适
复杂性	较高，需要手动验证和转换锁	较低，使用更简单
ABA 问题	存在 ABA 问题	不存在 ABA 问题
适用场景	读多写少，对性能要求高，可以容忍ABA问题	读写比例不明确，需要锁重入，不允许ABA问题
锁状态表示方式	Stamp (版本戳)	内部状态变量
阻塞行为	`tryOptimisticRead` 非阻塞，`readLock` 和 `writeLock` 阻塞，可以使用 `tryReadLock` 和 `tryWriteLock` 进行非阻塞尝试	`readLock` 和 `writeLock` 阻塞，可以使用 `tryReadLock` 和 `tryWriteLock` 进行非阻塞尝试

8. 最佳实践

选择合适的锁模式: 根据实际场景选择合适的锁模式。如果读操作非常频繁，则可以考虑使用乐观读锁。如果写操作非常频繁，或者需要锁重入，则可以考虑使用 ReentrantReadWriteLock。
谨慎使用乐观读锁: 乐观读锁需要进行验证，增加了代码的复杂性。只有在确定读操作确实比写操作多得多时，才应该使用乐观读锁。
注意 ABA 问题: 如果使用乐观读锁，需要注意 ABA 问题。如果 ABA 问题可能导致严重错误，则不应该使用乐观读锁。
避免长时间持有锁: 无论使用哪种锁，都应该避免长时间持有锁。长时间持有锁会降低系统的并发性能。
使用 try-finally 语句: 为了确保锁能够被正确释放，应该始终使用 try-finally 语句来释放锁。

9. 总结和思考

StampedLock 的乐观读模式是一种有效的减少锁竞争的方法。通过使用版本戳（Stamp）来跟踪锁的状态，乐观读锁可以在读取数据时避免获取锁的开销。然而，乐观读锁也存在一些局限性，例如需要进行验证和可能存在 ABA 问题。在实际应用中，应该根据具体的场景选择合适的锁模式，并谨慎使用乐观读锁。理解 StampedLock 的内部实现细节，可以帮助我们更好地使用它，并避免潜在的问题。

选择合适的锁，考虑性能与安全

在并发编程中，选择合适的锁至关重要。StampedLock 的乐观读模式为读多写少的场景提供了一种优化的选择，但需要仔细权衡其优势与局限，才能在性能和数据一致性之间取得平衡。

StampedLock的乐观读模式：使用版本戳（Stamp）避免锁竞争的实现细节

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