JAVA高并发下StampedLock乐观读模式错误使用导致数据不一致

大家好，今天我们来聊聊Java并发编程中一个容易被忽视但又非常重要的点：StampedLock乐观读模式下的数据一致性问题。StampedLock作为ReentrantReadWriteLock的增强版，在某些场景下能显著提升性能。然而，如果使用不当，特别是乐观读模式，很可能会导致数据不一致，从而引发难以追踪的bug。

StampedLock简介

StampedLock是Java 8引入的一个读写锁，相比于ReentrantReadWriteLock，它提供了三种模式：

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，允许多个线程同时持有。
乐观读锁（Optimistic Read Lock）： 无条件获取，成功后返回一个stamp，允许在没有写锁的情况下读取数据，但需要后续的验证。

StampedLock的核心思想在于，通过stamp来验证乐观读过程中数据是否被修改。如果数据被修改，stamp会失效，需要升级为读锁或者写锁重新读取数据。

乐观读的优势与潜在问题

乐观读模式的优势在于，它避免了在读取数据前必须获取读锁的开销，从而提高了并发性能。尤其是在读多写少的场景下，这种优势更加明显。

然而，乐观读模式也存在一个潜在的问题：数据一致性。由于乐观读并没有真正获取锁，因此在读取数据的过程中，其他线程可能已经修改了数据。如果不对读取的数据进行验证，就可能得到过期的数据，从而导致数据不一致。

乐观读的正确使用姿势

正确使用StampedLock的乐观读模式需要遵循以下步骤：

获取乐观读锁： 使用tryOptimisticRead()方法获取乐观读锁，返回一个stamp。
读取数据： 在乐观读锁的保护下读取数据。
验证数据： 使用validate(stamp)方法验证在读取数据的过程中，是否有其他线程获取了写锁。
处理验证结果：
- 如果validate(stamp)返回true，表示数据没有被修改，读取的数据是有效的。
- 如果validate(stamp)返回false，表示数据已经被修改，需要升级为读锁或者写锁重新读取数据。

错误使用场景及代码示例

下面我们通过几个具体的代码示例，来说明StampedLock乐观读模式错误使用可能导致的数据不一致问题。

示例1：缺少数据验证

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample1 {

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

    public int getX() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentX = x; // 读取数据
        // 缺少数据验证
        return currentX;
    }

    public void setX(int newX) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            x = newX;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StampedLockExample1 example = new StampedLockExample1();

        // 启动一个线程修改 x 的值
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.setX(i);
                try {
                    Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 启动多个线程读取 x 的值
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    int value = example.getX();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read: " + value);
                    try {
                        Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(5000); // 等待线程执行完成
    }
}

在这个例子中，getX()方法使用tryOptimisticRead()获取乐观读锁后，直接读取了x的值，而没有进行任何验证。这意味着，如果setX()方法在getX()方法读取x的值的期间修改了x的值，那么getX()方法读取到的就是过期的数据。

运行结果会发现，多个线程读取的x的值可能不一致，甚至出现跳跃，这不是我们期望的结果。

示例2：数据验证位置不正确

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample2 {

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

    public int getXAndY() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentX = x; // 读取数据
        try {
            Thread.sleep(1); // 模拟读取耗时
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        int currentY = y; // 读取数据
        if (!lock.validate(stamp)) { // 验证数据
            stamp = lock.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentX + currentY;
    }

    public void setXAndY(int newX, int newY) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            x = newX;
            y = newY;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StampedLockExample2 example = new StampedLockExample2();

        // 启动一个线程修改 x 和 y 的值
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.setXAndY(i, i * 2);
                try {
                    Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 启动多个线程读取 x 和 y 的值
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    int value = example.getXAndY();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read: " + value);
                    try {
                        Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(5000); // 等待线程执行完成
    }
}

在这个例子中，getXAndY()方法尝试使用乐观读读取x和y的值。但是，它在读取完x和y之后才进行数据验证。这意味着，在读取x和y的期间，setXAndY()方法可能已经修改了x的值，但y还没有被修改。因此，即使validate(stamp)返回false，升级为读锁重新读取x和y的值，也可能仍然无法保证x和y的一致性。

示例3：读取多个变量时的原子性问题

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample3 {

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

    public DataPoint getDataPoint() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentX = x;
        int currentY = y;
        if (!lock.validate(stamp)) {
            stamp = lock.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return new DataPoint(currentX, currentY);
    }

    public void setXAndY(int newX, int newY) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            x = newX;
            y = newY;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    static class DataPoint {
        public final int x;
        public final int y;

        public DataPoint(int x, int y) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "DataPoint{" +
                    "x=" + x +
                    ", y=" + y +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StampedLockExample3 example = new StampedLockExample3();

        // 启动一个线程修改 x 和 y 的值
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.setXAndY(i, i * 2);
                try {
                    Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 启动多个线程读取 x 和 y 的值
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    DataPoint dataPoint = example.getDataPoint();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read: " + dataPoint);
                    try {
                        Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(5000); // 等待线程执行完成
    }
}

即使在这个例子中，我们使用了validate(stamp)方法进行验证，并且在验证失败后升级为读锁重新读取x和y的值，仍然无法完全保证x和y的一致性。因为即使在读锁的保护下，x和y的读取也并非原子操作。在读取x之后，其他线程仍然有可能获取写锁并修改x和y的值，然后在读取y之前释放写锁。

乐观读的正确使用示例

下面是一个正确使用StampedLock乐观读模式的代码示例：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample4 {

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

    public DataPoint getDataPoint() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentX = x;
        int currentY = y;

        // 在读取数据后立即进行验证
        if (!lock.validate(stamp)) {
            stamp = lock.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return new DataPoint(currentX, currentY);
    }

    public void setXAndY(int newX, int newY) {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            x = newX;
            y = newY;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    static class DataPoint {
        public final int x;
        public final int y;

        public DataPoint(int x, int y) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "DataPoint{" +
                    "x=" + x +
                    ", y=" + y +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StampedLockExample4 example = new StampedLockExample4();

        // 启动一个线程修改 x 和 y 的值
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.setXAndY(i, i * 2);
                try {
                    Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 启动多个线程读取 x 和 y 的值
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    DataPoint dataPoint = example.getDataPoint();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " read: " + dataPoint);
                    try {
                        Thread.sleep(1); // 模拟耗时操作
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(5000); // 等待线程执行完成
    }
}

在这个例子中，getDataPoint()方法在读取完x和y之后立即进行数据验证。如果验证失败，则升级为读锁重新读取x和y的值。这样可以尽可能地保证x和y的一致性。

总结

错误使用场景	原因	解决方案
缺少数据验证	乐观读后直接使用数据，没有验证数据是否被修改。	必须使用`validate(stamp)`验证数据是否有效。
数据验证位置不正确	在读取完所有数据后才进行验证，无法保证读取过程中数据的一致性。	在读取数据后立即进行验证，如果验证失败，则升级为读锁重新读取数据。
读取多个变量时的原子性问题	即使使用读锁，读取多个变量也并非原子操作，可能在读取过程中被其他线程修改。	可以考虑使用`AtomicInteger`等原子类来保证变量的原子性，或者使用更严格的锁机制，例如写锁。

注意事项

数据依赖性： 如果读取的数据之间存在依赖关系，例如y = f(x)，那么即使对每个数据都进行了验证，仍然可能存在数据不一致的问题。在这种情况下，应该使用更严格的锁机制，例如写锁。
业务场景： 乐观读模式并非适用于所有场景。只有在读多写少，且对数据一致性要求不高的场景下，才能发挥其优势。在对数据一致性要求高的场景下，应该使用更严格的锁机制，例如读写锁或者互斥锁。
伪共享： 在高并发环境下，需要注意伪共享问题。如果多个线程频繁地读写同一个缓存行中的数据，会导致缓存失效，从而降低性能。可以使用@sun.misc.Contended注解来避免伪共享问题。

结论：正确使用乐观读，保证数据一致

StampedLock的乐观读模式是一种强大的并发工具，但在使用时需要特别注意数据一致性问题。只有正确理解其原理和适用场景，才能充分发挥其优势，避免潜在的bug。希望通过今天的讲解，大家能够更加深入地理解StampedLock的乐观读模式，并在实际开发中正确使用，写出更加高效、稳定的并发代码。

理解乐观读的本质，避免数据不一致

StampedLock乐观读的本质是"先尝试，失败再重试"。因此，必须时刻记住验证步骤，确保读取的数据是有效的。

谨慎选择并发工具，根据场景做权衡

并发编程没有银弹。选择合适的并发工具需要根据具体的业务场景和性能需求进行权衡。

持续学习并发知识，提升编程能力

并发编程是一个复杂而有趣的领域，需要不断学习和实践才能掌握其精髓。持续学习并发知识，才能编写出高质量的并发程序。

JAVA高并发下StampedLock乐观读模式错误使用导致数据不一致

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