Java StampedLock：如何使用validate()方法实现乐观读锁的有效性校验 - 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：使用validate()方法实现乐观读锁的有效性校验

大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中一个非常有用的工具——StampedLock，特别是它提供的validate()方法，以及如何利用它实现高效的乐观读锁。

1. StampedLock简介

StampedLock是Java 8引入的一种读写锁机制，它在某些场景下可以替代ReentrantReadWriteLock，提供更高的性能。与ReentrantReadWriteLock不同，StampedLock不基于互斥锁，而是基于版本戳（stamp）。它提供了三种模式：

写锁 (Write Lock): 独占锁，一次只有一个线程可以持有写锁。
读锁 (Read Lock): 允许多个线程同时持有读锁，但不能同时持有写锁。
乐观读锁 (Optimistic Read Lock): 一种非阻塞的读模式，它尝试读取数据，并在读取期间不阻止写操作。读取完成后，需要验证数据是否在读取期间被修改过。

StampedLock的核心在于它的stamp，这是一个long类型的值，代表锁的状态。不同的锁操作会返回不同的stamp值，用于后续的锁释放或验证。

2. StampedLock的基本用法

在深入了解validate()方法之前，我们先回顾一下StampedLock的基本用法：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample {

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

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

    // 读操作
    public int readData() {
        long stamp = stampedLock.readLock(); // 获取读锁
        try {
            return data;
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放读锁
        }
    }

    // 乐观读操作
    public int optimisticReadData() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
        int currentData = data; // 读取数据

        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 验证数据是否有效
            // 如果数据在读取期间被修改，则升级为读锁
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                currentData = data; // 重新读取数据
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentData;
    }

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

        // 模拟写线程
        Thread writerThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                example.writeData(i);
                System.out.println("Writer: Wrote data = " + i);
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        // 模拟乐观读线程
        Thread optimisticReaderThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                int value = example.optimisticReadData();
                System.out.println("Optimistic Reader: Read data = " + value);
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        // 启动线程
        writerThread.start();
        optimisticReaderThread.start();

        // 等待线程结束
        writerThread.join();
        optimisticReaderThread.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

在这个例子中，writeData()和readData()分别展示了写锁和读锁的使用方式。optimisticReadData()展示了乐观读锁的使用，其中stampedLock.validate(stamp)是关键。

3. 深入理解validate()方法

validate(long stamp)方法是StampedLock的核心方法之一，它用于验证乐观读锁的有效性。它的作用是：检查在获取乐观读锁之后，是否有其他线程获得了写锁。

如果返回true: 表示在获取乐观读锁后，没有写锁被获取，意味着数据在读取期间没有被修改，可以安全地使用读取到的数据。
如果返回false: 表示在获取乐观读锁后，有写锁被获取过，意味着数据在读取期间可能被修改，需要重新读取数据或者升级为读锁。

为什么需要validate()方法？

乐观读锁的目的是减少锁的竞争，提高并发性能。它允许线程在没有锁的情况下读取数据，但需要验证数据是否有效。如果没有validate()方法，乐观读锁就无法确定数据是否被修改，可能会导致读取到脏数据。

4. 乐观读锁的使用场景

乐观读锁适用于以下场景：

读操作远多于写操作: 乐观读锁的优势在于减少了读操作的锁竞争，如果写操作频繁，那么乐观读锁的优势就不明显了。
数据一致性要求不高: 乐观读锁允许读取到可能过期的数据，如果对数据一致性要求非常高，那么应该使用悲观锁（如读写锁）。
读取操作耗时较短: 如果读取操作耗时很长，那么在读取期间数据被修改的概率就会增加，导致validate()方法返回false的概率也会增加，从而降低了乐观读锁的效率。

5. 乐观读锁的实现细节

乐观读锁的实现依赖于StampedLock内部维护的版本戳。每次获取写锁时，StampedLock都会更新版本戳。tryOptimisticRead()方法会返回当前的锁状态（包括版本戳）。validate()方法会比较传入的stamp与当前的锁状态，如果版本戳发生变化，就说明在获取乐观读锁后，有写锁被获取过。

代码分析：

public int optimisticReadData() {
    long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
    int currentData = data; // 读取数据

    if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 验证数据是否有效
        // 如果数据在读取期间被修改，则升级为读锁
        stamp = stampedLock.readLock();
        try {
            currentData = data; // 重新读取数据
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }
    return currentData;
}

long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();: 尝试获取乐观读锁。这个方法会立即返回一个stamp值，无论当前是否有写锁被持有。如果当前有写锁，stamp值可能表示写锁的状态，但乐观读锁不会阻塞等待写锁释放。
int currentData = data;: 在没有获取任何锁的情况下读取数据。这是乐观读锁的核心思想，即先读取数据，然后再验证数据的有效性。
if (!stampedLock.validate(stamp)): 使用validate()方法验证数据的有效性。如果validate()返回false，说明数据在读取期间可能被修改，需要采取相应的措施。
升级为读锁: 如果数据无效，通常的做法是升级为读锁，然后重新读取数据。这可以保证读取到的数据是有效的。升级为读锁意味着线程需要等待写锁释放，因此会降低并发性能。
return currentData;: 返回读取到的数据。如果数据有效，则返回在乐观读锁下读取到的数据；如果数据无效，则返回在读锁下重新读取到的数据。

6. StampedLock的优势与劣势

6.1 优势

性能优越: 在读多写少的场景下，StampedLock的性能通常优于ReentrantReadWriteLock，因为它减少了锁的竞争。
灵活性高: StampedLock提供了多种锁模式，可以根据不同的场景选择合适的锁模式。
避免死锁: StampedLock允许读锁升级为写锁，避免了ReentrantReadWriteLock中可能发生的死锁问题。

6.2 劣势

复杂度高: StampedLock的使用比ReentrantReadWriteLock更复杂，需要仔细考虑锁的获取和释放，以及乐观读锁的验证。
可能导致饥饿: 如果写线程一直处于等待状态，可能会导致读线程一直持有乐观读锁，从而导致写线程饥饿。
不重入: StampedLock不支持重入，如果同一个线程多次获取同一个锁，可能会导致死锁。

7. StampedLock的使用注意事项

必须释放锁: 与Lock接口一样，必须在finally块中释放锁，以避免锁泄漏。
避免长时间持有锁: 长时间持有锁会降低并发性能，尽量缩短锁的持有时间。
选择合适的锁模式: 根据不同的场景选择合适的锁模式，以达到最佳的性能。
处理validate()返回false的情况: 必须处理validate()方法返回false的情况，通常的做法是升级为读锁，然后重新读取数据。
注意死锁问题: 虽然StampedLock避免了ReentrantReadWriteLock中可能发生的死锁问题，但仍然需要注意死锁问题，例如避免循环等待。
避免在循环中尝试乐观读锁: 在循环中频繁尝试乐观读锁，如果写操作频繁，可能会导致线程一直处于重试状态，降低性能。应该设置重试次数上限，或者直接使用悲观锁。

8. 优化乐观读锁的使用

以下是一些优化乐观读锁使用的建议：

减少读取操作的耗时: 尽量缩短读取操作的耗时，以减少数据被修改的概率。
使用本地缓存: 如果数据变化不频繁，可以使用本地缓存来减少读取操作的次数。
批量读取数据: 如果需要读取多个数据，可以批量读取，以减少锁的竞争。
考虑使用其他并发工具: 在某些情况下，可能使用其他的并发工具（如AtomicReference）来代替StampedLock，以获得更好的性能。
自旋重试策略: 当validate()返回false时，可以考虑使用自旋重试而不是立即升级为读锁，尤其是在写操作不频繁的场景下。这可以通过循环尝试tryOptimisticRead()和validate()来实现，但需要设置合理的重试次数上限以避免无限循环。

示例代码：

public int optimisticReadDataWithRetry(int maxRetries) {
    int retries = 0;
    while (retries < maxRetries) {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int currentData = data;
        if (stampedLock.validate(stamp)) {
            return currentData;
        }
        retries++;
        // 可以添加一些短暂的休眠，例如Thread.sleep(1);
    }

    // 如果重试达到上限，则升级为读锁
    long stamp = stampedLock.readLock();
    try {
        return data;
    } finally {
        stampedLock.unlockRead(stamp);
    }
}

在这个例子中，我们尝试了maxRetries次乐观读锁，如果每次都失败，则升级为读锁。这种方式在写操作不频繁的情况下，可以避免频繁的锁升级，提高性能。

9. 代码示例：更复杂的应用场景

假设我们有一个缓存系统，需要支持并发的读取和更新操作。我们可以使用StampedLock来实现这个缓存系统。

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

public class Cache {

    private final Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    // 从缓存中获取数据
    public Object get(String key) {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
        Object value = cache.get(key); // 读取数据

        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 验证数据是否有效
            // 如果数据在读取期间被修改，则升级为读锁
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                value = cache.get(key); // 重新读取数据
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return value;
    }

    // 向缓存中添加数据
    public void put(String key, Object value) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            cache.put(key, value); // 更新缓存
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    // 从缓存中删除数据
    public void remove(String key) {
        long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            cache.remove(key); // 删除数据
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

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

        // 模拟读线程
        Thread readerThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                Object value = cache.get("key");
                System.out.println("Reader: Value = " + value);
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        // 模拟写线程
        Thread writerThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                cache.put("key", i);
                System.out.println("Writer: Put value = " + i);
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        // 启动线程
        readerThread.start();
        writerThread.start();

        // 等待线程结束
        readerThread.join();
        writerThread.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

在这个例子中，get()方法使用了乐观读锁，put()和remove()方法使用了写锁。这可以保证并发的读取和更新操作的正确性。

10. validate()方法的价值总结

StampedLock的validate()方法是实现高效乐观读锁的关键。它允许线程在没有锁的情况下读取数据，并在读取完成后验证数据的有效性。通过使用validate()方法，可以减少锁的竞争，提高并发性能。但需要注意的是，乐观读锁适用于读多写少的场景，并且需要仔细考虑锁的获取和释放，以及乐观读锁的验证。乐观读锁并非银弹，需要根据具体场景选择合适的并发工具。