Java StampedLock：饥饿预防机制深度解析
大家好，今天我们来深入探讨Java并发包中的 StampedLock，特别是它如何处理读锁饥饿问题。StampedLock 作为一种高级读写锁，在某些场景下性能优于传统的 ReentrantReadWriteLock。但如果不加注意，可能会出现读锁饥饿，即写锁持续到来导致读锁一直无法获取。我们将详细分析 StampedLock 的工作原理，揭示读锁饥饿的成因，并提供有效的预防机制。
StampedLock 简介
StampedLock 提供了三种锁模式：
- 写锁 (Write Lock): 独占锁，同一时刻只允许一个线程持有。
- 读锁 (Read Lock): 共享锁，多个线程可以同时持有。
- 乐观读锁 (Optimistic Read Lock): 一种轻量级的读锁，不阻塞写锁，但需要后续验证数据一致性。
StampedLock 的核心思想是基于 stamp 的操作。线程尝试获取锁时，会返回一个 stamp 值，这个 stamp 值代表了锁的状态。线程在释放锁或者验证乐观读锁时，需要提供对应的 stamp 值。
StampedLock 的基本用法
下面是一些 StampedLock 的基本使用示例：
获取写锁并释放：
StampedLock lock = new StampedLock();
long stamp = lock.writeLock();
try {
// 临界区：执行写操作
} finally {
lock.unlockWrite(stamp);
}获取读锁并释放：
StampedLock lock = new StampedLock();
long stamp = lock.readLock();
try {
// 临界区：执行读操作
} finally {
lock.unlockRead(stamp);
}尝试乐观读锁：
StampedLock lock = new StampedLock();
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 读操作：基于当前数据进行计算
if (!lock.validate(stamp)) {
// 如果在读取过程中有写操作发生，则升级为读锁
stamp = lock.readLock();
try {
// 临界区：重新读取数据并进行计算
} finally {
lock.unlockRead(stamp);
}
}
// 使用读取到的数据读锁饥饿问题
StampedLock 的一个潜在问题是读锁饥饿。当有大量的写锁请求持续到来时，读锁可能一直无法获取到锁，导致读线程长时间等待，最终发生饥饿。
读锁饥饿的成因：
StampedLock 优先满足写锁请求。当有写锁请求等待时，即使有读锁请求到来，也会优先让写锁获取到锁。如果写锁请求源源不断，读锁就会一直被阻塞。
一个简单的例子说明读锁饥饿：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class StampedLockStarvationExample {
private static final StampedLock lock = new StampedLock();
private static int sharedData = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 启动一个写线程，持续写入数据
executor.submit(() -> {
while (true) {
long stamp = lock.writeLock();
try {
sharedData++;
System.out.println("Write: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(10); // 模拟写操作耗时
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlockWrite(stamp);
}
}
});
// 启动三个读线程，尝试读取数据
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executor.submit(() -> {
while (true) {
long stamp = lock.readLock();
try {
System.out.println("Read: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(5); // 模拟读操作耗时
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlockRead(stamp);
}
}
});
}
Thread.sleep(5000); // 运行5秒钟
executor.shutdownNow();
}
}在这个例子中，一个写线程持续写入数据，三个读线程尝试读取数据。由于写线程的优先级更高，读线程可能会长时间无法获取到锁，导致输出结果中读操作的频率远低于写操作，甚至完全看不到读操作的输出，这就是典型的读锁饥饿现象。
预防读锁饥饿的机制
StampedLock 本身没有提供直接的公平性保证，因此需要我们手动实现一些机制来预防读锁饥饿。以下是一些常用的策略：
1. 限制写锁的频率
最简单的方法是限制写锁的获取频率，例如使用 Thread.sleep() 或其他限流机制，让读线程有机会获取到锁。但这通常不是一个好的解决方案，因为它会降低整体的并发性能。
// 不推荐的方法：限制写锁的频率
executor.submit(() -> {
while (true) {
long stamp = lock.writeLock();
try {
sharedData++;
System.out.println("Write: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(10); // 模拟写操作耗时
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlockWrite(stamp);
}
try {
Thread.sleep(5); // 限制写锁的频率
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});2. 使用 tryWriteLock() 和 tryReadLock()
可以使用 tryWriteLock() 和 tryReadLock() 方法尝试获取锁，如果获取失败，可以短暂等待一段时间后再次尝试。这种方式可以避免线程一直阻塞在 readLock() 或 writeLock() 方法上，从而降低饥饿的风险。
// 使用 tryWriteLock() 和 tryReadLock()
executor.submit(() -> {
while (true) {
long stamp = lock.tryWriteLock();
if (stamp != 0) {
try {
sharedData++;
System.out.println("Write: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(10); // 模拟写操作耗时
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlockWrite(stamp);
}
} else {
// 写锁获取失败，等待一段时间后重试
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
executor.submit(() -> {
while (true) {
long stamp = lock.tryReadLock();
if (stamp != 0) {
try {
System.out.println("Read: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(5); // 模拟读操作耗时
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlockRead(stamp);
}
} else {
// 读锁获取失败，等待一段时间后重试
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});这种方法虽然可以缓解饥饿，但仍然无法保证公平性，并且会增加 CPU 的消耗。
3. 自定义公平性策略
可以基于 StampedLock 实现自定义的公平性策略，例如使用一个队列来维护读写锁的请求顺序，保证先到先服务。这需要更复杂的代码实现，但可以提供更强的公平性保证。
下面是一个简单的示例，使用 ReentrantReadWriteLock 来模拟一个简单的公平性策略：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class FairStampedLock {
private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock(true); // 使用公平锁
private final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = rwLock.readLock();
private final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = rwLock.writeLock();
private int sharedData = 0;
public void read() {
readLock.lock();
try {
System.out.println("Read: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
readLock.unlock();
}
}
public void write() {
writeLock.lock();
try {
sharedData++;
System.out.println("Write: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
writeLock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
FairStampedLock fairLock = new FairStampedLock();
executor.submit(() -> {
while (true) {
fairLock.write();
}
});
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executor.submit(() -> {
while (true) {
fairLock.read();
}
});
}
Thread.sleep(5000);
executor.shutdownNow();
}
}这个例子使用了 ReentrantReadWriteLock 的公平锁模式，保证了读写锁请求的公平性。虽然不是直接使用 StampedLock，但展示了实现公平性策略的基本思想。
4. 使用 ReadWriteLock 代替 StampedLock
如果对公平性有严格要求，并且性能不是首要考虑因素，可以考虑使用 ReentrantReadWriteLock，并开启其公平锁模式。ReentrantReadWriteLock 的公平锁模式可以保证读写锁请求的公平性，避免读锁饥饿。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class ReentrantReadWriteLockFairness {
private static final ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true); // 使用公平锁
private static int sharedData = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
executor.submit(() -> {
while (true) {
lock.writeLock().lock();
try {
sharedData++;
System.out.println("Write: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
});
for (int i = 0; i < 3; i++) {
executor.submit(() -> {
while (true) {
lock.readLock().lock();
try {
System.out.println("Read: sharedData = " + sharedData);
Thread.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
});
}
Thread.sleep(5000);
executor.shutdownNow();
}
}这个例子使用了 ReentrantReadWriteLock 的公平锁模式，可以有效避免读锁饥饿。
5. 调整读写比例
分析应用场景，尽量减少写操作的频率，增加读操作的频率。如果读操作远多于写操作，读锁饥饿的风险就会降低。
6. 使用乐观读锁进行优化
在某些场景下，可以使用乐观读锁来避免阻塞。乐观读锁不会阻塞写锁，但需要在读取数据后进行验证，以确保数据的一致性。如果数据在读取过程中被修改，则需要重新获取读锁并读取数据。
如何选择合适的策略？
选择哪种策略取决于具体的应用场景和需求。
| 策略 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 限制写锁的频率 | 简单易用 | 降低并发性能 | 简单的、对性能要求不高的场景 |
使用 tryWriteLock() 和 tryReadLock() |
避免线程一直阻塞，降低饥饿风险 | 仍然无法保证公平性，增加 CPU 消耗 | 对公平性要求不高，但需要避免线程长时间阻塞的场景 |
| 自定义公平性策略 | 可以提供更强的公平性保证 | 实现复杂 | 对公平性有严格要求，并且可以接受一定的性能损失的场景 |
使用 ReadWriteLock (公平锁) |
保证读写锁请求的公平性，避免读锁饥饿 | 性能相对较低 | 对公平性有严格要求，并且性能不是首要考虑因素的场景 |
| 调整读写比例 | 降低读锁饥饿的风险 | 需要分析应用场景，可能需要修改代码 | 读操作远多于写操作的场景 |
| 使用乐观读锁进行优化 | 避免阻塞，提高并发性能 | 需要验证数据一致性，增加了代码的复杂性 | 读操作频繁，写操作较少，并且可以容忍一定的数据不一致性的场景 |
避免读锁饥饿，保障并发应用的稳定
StampedLock 是一种强大的并发工具，但在使用时需要注意读锁饥饿问题。通过合理的策略选择和代码设计，可以有效地预防读锁饥饿，保障并发应用的稳定性和性能。 理解其工作原理，并根据实际场景选择合适的解决方案至关重要。 在高并发读写场景中，仔细评估锁的公平性、性能以及代码复杂性，才能做出最佳选择。