JAVA使用StampedLock解决写锁饥饿问题的底层机制分析 - 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

StampedLock：解饿之道

大家好，今天我们来聊聊 StampedLock，一种在 Java 中用于读写锁的利器，尤其擅长解决写锁饥饿问题。我们会深入探讨它的底层机制，并通过代码示例来理解它如何工作。

1. 写锁饥饿的成因

首先，什么是写锁饥饿？在传统的 ReentrantReadWriteLock 中，如果读线程非常活跃，写线程可能长时间无法获取锁，这就是写锁饥饿。想象一下，图书馆里很多人在看书（读线程），但是想借书的人（写线程）却一直排不上队，因为不断有人进来读书。

ReentrantReadWriteLock 默认采用读锁优先的策略。这意味着当有读线程正在持有读锁，并且还有新的读线程尝试获取读锁时，新的读线程会被允许获取锁，即使此时有写线程在等待。这种策略虽然提高了并发读取的效率，但也导致了写线程可能一直无法获得锁。

2. StampedLock 的原理：乐观读和悲观读写

StampedLock 提供了三种模式：

写锁 (Write Lock): 独占锁，与 ReentrantReadWriteLock 的写锁类似，只有一个线程可以持有。
悲观读锁 (Read Lock): 共享锁，多个线程可以同时持有，但会阻塞写锁的获取。与ReentrantReadWriteLock的读锁类似
乐观读 (Optimistic Read): 尝试获取一个 stamp (时间戳)，在读取数据期间，如果 stamp 没有变化，则认为数据没有被修改。如果数据被修改，则需要升级到悲观读锁或写锁。

StampedLock 的核心在于它的乐观读。乐观读是一种无锁的读取尝试，它不会阻塞写线程。这意味着写线程有机会更快地获取锁，从而缓解了写锁饥饿问题。

3. StampedLock 的使用方法

我们先来看一下 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; // 修改数据
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    // 乐观读操作
    public int readDataOptimistically() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
        int currentData = data; // 读取数据
        if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 验证数据是否被修改
            stamp = stampedLock.readLock(); // 升级为悲观读锁
            try {
                currentData = data; // 重新读取数据
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return currentData;
    }

    // 悲观读操作
    public int readDataPessimistically() {
        long stamp = stampedLock.readLock(); // 获取悲观读锁
        try {
            return data; // 读取数据
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
        }
    }

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

        // 写线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                example.writeData(i);
                System.out.println("Write: " + i);
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 读线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                int value = example.readDataOptimistically();
                System.out.println("Read Optimistic: " + value);
                try {
                    Thread.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 另一个读线程，使用悲观读
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                int value = example.readDataPessimistically();
                System.out.println("Read Pessimistic: " + value);
                try {
                    Thread.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

这个例子展示了 StampedLock 的三种模式的使用方法。

writeData() 方法使用写锁来修改数据。
readDataOptimistically() 方法使用乐观读来读取数据，如果数据在读取期间被修改，则升级为悲观读锁。
readDataPessimistically() 方法使用悲观读锁来读取数据。

4. StampedLock 的底层机制分析

StampedLock 的底层实现基于一个 state 变量和一个 FIFO 等待队列。 state 变量用于记录锁的状态，包括写锁是否被持有，读锁的数量，以及是否需要阻塞写线程。

4.1 state 变量的结构

state 变量是一个 long 类型，它的各个位被用来表示不同的状态信息。

位	含义
低 7 位	读锁计数器，表示当前持有读锁的线程数量，最大值为 127。
第 8 位	表示写锁是否被持有，1 表示被持有，0 表示未被持有。
高 56 位	用于存储乐观读的 stamp 值。 Stamp 值实际上是指向等待队列中节点的指针，或者是一个特殊的标记值。

4.2 锁的获取和释放

写锁的获取:
- writeLock() 方法首先检查 state 变量是否为 0，如果为 0，则表示没有线程持有锁，可以尝试获取写锁。
- 如果 state 变量不为 0，则表示有线程持有锁，写线程需要进入等待队列。
- 获取写锁成功后，state 变量的第 8 位被设置为 1，表示写锁被持有。
写锁的释放:
- unlockWrite() 方法首先检查当前线程是否持有写锁。
- 如果当前线程持有写锁，则将 state 变量设置为 0，表示写锁被释放。
- 释放写锁后，StampedLock 会唤醒等待队列中的线程，让它们尝试获取锁。
悲观读锁的获取:
- readLock() 方法首先检查写锁是否被持有，如果写锁被持有，则读线程需要进入等待队列。
- 如果写锁未被持有，则尝试将 state 变量的低 7 位加 1，表示读锁的数量增加。
- 如果增加读锁数量失败，则表示读锁的数量已经达到最大值，或者有写线程正在等待，读线程需要进入等待队列。
悲观读锁的释放:
- unlockRead() 方法首先检查当前线程是否持有读锁。
- 如果当前线程持有读锁，则将 state 变量的低 7 位减 1，表示读锁的数量减少。
- 释放读锁后，StampedLock 会唤醒等待队列中的线程，让它们尝试获取锁。
乐观读的获取:
- tryOptimisticRead() 方法只是简单地返回当前的 state 值，作为乐观读的 stamp。
- 这个过程不会阻塞任何线程。
乐观读的验证:
- validate(stamp) 方法比较当前的 state 值和传入的 stamp 值是否相等。
- 如果相等，则表示在读取数据期间，state 值没有发生变化，数据没有被修改，乐观读有效。
- 如果不相等，则表示数据已经被修改，乐观读失效。

4.3 解决写锁饥饿的机制

StampedLock 主要通过以下机制来解决写锁饥饿问题：

乐观读: 乐观读允许读线程在不持有锁的情况下读取数据，从而减少了读线程对写线程的阻塞。
写优先: StampedLock 并没有明确的写优先策略，但它通过避免读线程一直占用锁，间接实现了写优先。当写线程尝试获取锁时，即使有读线程正在进行乐观读，写线程仍然有机会获取锁。
可中断: StampedLock 提供了可中断的锁获取方法，允许线程在等待锁的过程中被中断，从而避免线程长时间阻塞。

5. 代码示例：模拟写锁饥饿

为了更好地理解 StampedLock 如何解决写锁饥饿问题，我们可以模拟一个写锁饥饿的场景，并使用 StampedLock 来解决这个问题。

首先，我们使用 ReentrantReadWriteLock 来模拟写锁饥饿：

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

public class ReadWriteLockStarvation {

    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private int data = 0;

    public void writeData(int newData) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            data = newData;
            System.out.println("Write: " + newData);
            Thread.sleep(1); // 模拟写操作耗时
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public int readData() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println("Read: " + data);
            Thread.sleep(1); // 模拟读操作耗时
            return data;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
        return data;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReadWriteLockStarvation example = new ReadWriteLockStarvation();

        // 大量读线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    example.readData();
                }
            }).start();
        }

        // 写线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                example.writeData(i);
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

在这个例子中，我们创建了 10 个读线程和一个写线程。读线程会一直读取数据，而写线程会尝试修改数据。由于读线程的数量很多，写线程很可能长时间无法获取写锁，导致写锁饥饿。

接下来，我们使用 StampedLock 来解决这个问题：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockNoStarvation {

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

    public void writeData(int newData) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            data = newData;
            System.out.println("Write: " + newData);
            Thread.sleep(1); // 模拟写操作耗时
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public int readData() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentData = data;
        if (!lock.validate(stamp)) {
            stamp = lock.readLock();
            try {
                currentData = data;
                System.out.println("Read: " + currentData);
                Thread.sleep(1); // 模拟读操作耗时
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        } else {
            System.out.println("Read Optimistic: " + currentData);
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return currentData;
    }

    public static void main(String[] args) {
        StampedLockNoStarvation example = new StampedLockNoStarvation();

        // 大量读线程
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    example.readData();
                }
            }).start();
        }

        // 写线程
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                example.writeData(i);
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

在这个例子中，我们将 ReentrantReadWriteLock 替换为 StampedLock，并使用乐观读来读取数据。通过使用乐观读，我们减少了读线程对写线程的阻塞，从而缓解了写锁饥饿问题。

6. StampedLock 的局限性

虽然 StampedLock 在解决写锁饥饿问题方面表现出色，但它也有一些局限性：

不可重入: StampedLock 不可重入，这意味着如果一个线程已经持有了锁，它不能再次获取同一个锁。这可能会导致死锁。
需要手动管理 stamp: 开发者需要手动管理 stamp 值，并确保在正确的时间释放锁。如果 stamp 值管理不当，可能会导致锁泄漏或其他问题。
可能导致活锁: 在高并发环境下，如果读线程和写线程频繁竞争锁，可能会导致活锁。

7. 如何选择：ReentrantReadWriteLock vs StampedLock

特性	ReentrantReadWriteLock	StampedLock
是否可重入	是	否
读写模式	悲观读写	乐观读、悲观读写
性能	在读多写少的场景下，性能较好。	在读多写少且竞争不激烈的场景下，性能更好。
写锁饥饿	容易出现写锁饥饿	可以有效缓解写锁饥饿
使用复杂度	相对简单	相对复杂，需要手动管理 stamp
适用场景	读写比例相对固定，对重入性有要求的场景。	读多写少，对性能要求高，且允许牺牲重入性的场景。

总结

StampedLock 通过引入乐观读的机制，有效地解决了写锁饥饿问题。它在读多写少的场景下，能够提供比 ReentrantReadWriteLock 更好的性能。但是，StampedLock 的使用也更加复杂，需要开发者手动管理 stamp 值，并注意避免死锁和活锁。理解 StampedLock 的底层机制和适用场景，可以帮助我们更好地选择合适的锁，从而提高并发程序的性能和可靠性。

StampedLock：解饿之道

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