Day837.StampedLock-Java 并发编程实战

Posted 2023-01-11 阿昌喜欢吃黄桃

StampedLock

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于StampedLock。

在ReadWriteLock 读写锁，知道“读写锁允许多个线程同时读共享变量，适用于读多写少的场景”。

那在读多写少的场景中，还有没有更快的技术方案呢？

Java 在 1.8 这个版本里，提供了一种叫 StampedLock 的锁，它的性能就比读写锁还要好。

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一、StampedLock 支持的三种锁模式

先来看看在使用上 StampedLock 和ReadWriteLock 有哪些区别。

ReadWriteLock 支持两种模式：

• 一种是读锁
• 一种是写锁

StampedLock 支持三种模式，分别是：

• 写锁
• 悲观读锁
• 乐观读

其中，写锁、悲观读锁的语义和 ReadWriteLock 的写锁、读锁的语义非常类似，允许多个线程同时获取悲观读锁，但是只允许一个线程获取写锁，写锁和悲观读锁是互斥的。

不同的是：StampedLock 里的写锁和悲观读锁加锁成功之后，都会返回一个 stamp；

然后解锁的时候，需要传入这个 stamp。相关的示例代码如下。

final StampedLock sl = 
  new StampedLock();
  
// 获取/释放悲观读锁示意代码
long stamp = sl.readLock();
try 
  //省略业务相关代码
 finally 
  sl.unlockRead(stamp);


// 获取/释放写锁示意代码
long stamp = sl.writeLock();
try 
  //省略业务相关代码
 finally 
  sl.unlockWrite(stamp);

StampedLock 的性能之所以比 ReadWriteLock 还要好，其关键是 StampedLock 支持乐观读的方式。

ReadWriteLock 支持多个线程同时读，但是当多个线程同时读的时候，所有的写操作会被阻塞；而 StampedLock 提供的乐观读，是允许一个线程获取写锁的，也就是说不是所有的写操作都被阻塞。

注意这里，用的是“乐观读”这个词，而不是“乐观读锁”，是要提醒你，乐观读这个操作是无锁的，所以相比较 ReadWriteLock 的读锁，乐观读的性能更好一些。文中下面这段代码是出自 Java SDK 官方示例，并略做了修改。

在 distanceFromOrigin() 这个方法中，首先通过调用 tryOptimisticRead() 获取了一个 stamp，这里的 tryOptimisticRead() 就是我们前面提到的乐观读。

之后将共享变量 x 和 y 读入方法的局部变量中，不过需要注意的是，由于 tryOptimisticRead() 是无锁的，所以共享变量 x 和 y 读入方法局部变量时，x 和 y 有可能被其他线程修改了。

因此最后读完之后，还需要再次验证一下是否存在写操作，这个验证操作是通过调用 validate(stamp) 来实现的。

class Point 
  private int x, y;
  final StampedLock sl = 
    new StampedLock();
  //计算到原点的距离  
  int distanceFromOrigin() 
    // 乐观读
    long stamp = 
      sl.tryOptimisticRead();
    // 读入局部变量，
    // 读的过程数据可能被修改
    int curX = x, curY = y;
    //判断执行读操作期间，
    //是否存在写操作，如果存在，
    //则sl.validate返回false
    if (!sl.validate(stamp))
      // 升级为悲观读锁
      stamp = sl.readLock();
      try 
        curX = x;
        curY = y;
       finally 
        //释放悲观读锁
        sl.unlockRead(stamp);
      
    
    return Math.sqrt(
      curX * curX + curY * curY);
  

在上面这个代码示例中，如果执行乐观读操作的期间，存在写操作，会把乐观读升级为悲观读锁。这个做法挺合理的，否则你就需要在一个循环里反复执行乐观读，直到执行乐观读操作的期间没有写操作（只有这样才能保证 x 和 y 的正确性和一致性），而循环读会浪费大量的 CPU。升级为悲观读锁，代码简练且不易出错，建议你在具体实践时也采用这样的方法。

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二、乐观读

在 ERP 的生产模块里，会有多个人通过 ERP 系统提供的 UI 同时修改同一条生产订单，那如何保证生产订单数据是并发安全的呢？

采用的方案就是乐观锁。乐观锁的实现很简单，在生产订单的表 product_doc 里增加了一个数值型版本号字段 version，每次更新 product_doc 这个表的时候，都将 version 字段加 1。

生产订单的 UI 在展示的时候，需要查询数据库，此时将这个 version 字段和其他业务字段一起返回给生产订单 UI。

假设用户查询的生产订单的 id=777，那么 SQL 语句类似下面这样：

select id，... ，version
from product_doc
where id=777

用户在生产订单 UI 执行保存操作的时候，后台利用下面的 SQL 语句更新生产订单，此处我们假设该条生产订单的 version=9。

update product_doc 
set version=version+1，...
where id=777 and version=9

如果这条 SQL 语句执行成功并且返回的条数等于 1，那么说明从生产订单 UI 执行查询操作到执行保存操作期间，没有其他人修改过这条数据。

因为如果这期间其他人修改过这条数据，那么版本号字段一定会大于 9。

会发现数据库里的乐观锁，查询的时候需要把 version 字段查出来，更新的时候要利用 version 字段做验证。这个 version 字段就类似于 StampedLock 里面的 stamp。

这样对比着看，相信会更容易理解 StampedLock 里乐观读的用法。

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三、StampedLock 使用注意事项

对于读多写少的场景 StampedLock 性能很好，简单的应用场景基本上可以替代 ReadWriteLock，但是 StampedLock 的功能仅仅是 ReadWriteLock 的子集，在使用的时候，还是有几个地方需要注意一下。

StampedLock 在命名上并没有增加 Reentrant，想必你已经猜测到 StampedLock 应该是不可重入的。

事实上，的确是这样的，StampedLock 不支持重入。这个是在使用中必须要特别注意的。

另外，StampedLock 的悲观读锁、写锁都不支持条件变量，这个也需要你注意。还有一点需要特别注意，那就是：如果线程阻塞在 StampedLock 的 readLock() 或者 writeLock() 上时，此时调用该阻塞线程的 interrupt() 方法，会导致 CPU 飙升。

例如下面的代码中，线程 T1 获取写锁之后将自己阻塞，线程 T2 尝试获取悲观读锁，也会阻塞；如果此时调用线程 T2 的 interrupt() 方法来中断线程 T2 的话，你会发现线程 T2 所在 CPU 会飙升到 100%。

final StampedLock lock
  = new StampedLock();
Thread T1 = new Thread(()->
  // 获取写锁
  lock.writeLock();
  // 永远阻塞在此处，不释放写锁
  LockSupport.park();
);
T1.start();
// 保证T1获取写锁
Thread.sleep(100);
Thread T2 = new Thread(()->
  //阻塞在悲观读锁
  lock.readLock()
);
T2.start();
// 保证T2阻塞在读锁
Thread.sleep(100);
//中断线程T2
//会导致线程T2所在CPU飙升
T2.interrupt();
T2.join();

所以，使用 StampedLock 一定不要调用中断操作，如果需要支持中断功能，一定使用可中断的悲观读锁 readLockInterruptibly() 和写锁 writeLockInterruptibly()。这个规则一定要记清楚。

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四、总结

StampedLock 的使用看上去有点复杂，但是如果你能理解乐观锁背后的原理，使用起来还是比较流畅的。建议你认真揣摩 Java 的官方示例，这个示例基本上就是一个最佳实践。我们把 Java 官方示例精简后，形成下面的代码模板，建议你在实际工作中尽量按照这个模板来使用 StampedLock。

StampedLock 读模板：

final StampedLock sl = 
  new StampedLock();

// 乐观读
long stamp = 
  sl.tryOptimisticRead();
// 读入方法局部变量
......
// 校验stamp
if (!sl.validate(stamp))
  // 升级为悲观读锁
  stamp = sl.readLock();
  try 
    // 读入方法局部变量
    .....
   finally 
    //释放悲观读锁
    sl.unlockRead(stamp);
  

//使用方法局部变量执行业务操作
......

StampedLock 写模板：

long stamp = sl.writeLock();
try 
  // 写共享变量
  ......
 finally 
  sl.unlockWrite(stamp);

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StampedLock 支持锁的降级（通过 tryConvertToReadLock() 方法实现）和升级（通过 tryConvertToWriteLock() 方法实现），但是建议你要慎重使用。
下面的代码也源自 Java 的官方示例，仅仅做了一点修改，隐藏了一个 Bug，来看看 Bug 出在哪里吧。

private double x, y;
final StampedLock sl = new StampedLock();
// 存在问题的方法
void moveIfAtOrigin(double newX, double newY)
 long stamp = sl.readLock();
 try 
  while(x == 0.0 && y == 0.0)
    long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
    if (ws != 0L) 
      x = newX;
      y = newY;
      break;
     else 
      sl.unlockRead(stamp);
      stamp = sl.writeLock();
    
  
  finally 
  sl.unlock(stamp);

在锁升级成功的时候，最后没有释放最新的写锁，可以在if块的break上加个stamp=ws进行释放

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