读写锁还不会用StampedLock就Out了

概述

想到读写锁，大家第一时间想到的可能是​​ReentrantReadWriteLock​​。实际上，在jdk8以后，java提供了一个性能更优越的读写锁并发类​​StampedLock​​，该类的设计初衷是作为一个内部工具类，用于辅助开发其它线程安全组件，用得好，该类可以提升系统性能，用不好，容易产生死锁和其它莫名其妙的问题。本文主要和大家一起学习下​​StampedLock​​的功能和使用。

StampedLock介绍

​​StampedLock​​的状态由版本和模式组成。锁获取方法返回一个戳，该戳表示并控制对锁状态的访问。​​StampedLock​​提供了3种模式控制访问锁：

1. 写模式

获取写锁，它是独占的，当锁处于写模式时，无法获得读锁，所有乐观读验证都将失败。

• writeLock()： 阻塞等待独占获取锁，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• tryWriteLock()：尝试获取一个写锁，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• long tryWriteLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个独占写锁，可以等待一段事件，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• long writeLockInterruptibly(): 试获取一个独占写锁，可以被中断，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• unlockWrite(long stamp)：释放独占写锁，传入之前获取的戳。
• tryUnlockWrite()：如果持有写锁，则释放该锁，而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。

long stamp = lock.writeLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockWrite(stamp);
}

2. 读模式

悲观的方式后去非独占读锁。

• readLock()： 阻塞等待获取非独占的读锁，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• tryReadLock()：尝试获取一个读锁，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• long tryReadLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个读锁，可以等待一段事件，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• long readLockInterruptibly(): 阻塞等待获取非独占的读锁，可以被中断，返回一个戳， 如果是0表示获取失败。
• unlockRead(long stamp)：释放非独占的读锁，传入之前获取的戳。
• tryUnlockRead()：如果读锁被持有，则释放一次持有，而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。

long stamp = lock.readLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockRead(stamp);     
}

3. 乐观读模式

乐观读也就是若读的操作很多，写的操作很少的情况下，你可以乐观地认为，写入与读取同时发生几率很少，因此不悲观地使用完全的读取锁定，程序可以查看读取资料之后，是否遭到写入执行的变更，再采取后续的措施(重新读取变更信息，或者抛出异常) ，这一个小小改进，可大幅度提高程序的吞吐量。

​​StampedLock​​ 支持 ​​tryOptimisticRead()​​ 方法，读取完毕后做一次戳校验，如果校验通过，表示这期间没有其他线程的写操作，数据可以安全使用，如果校验没通过，需要重新获取读锁，保证数据一致性。

• tryOptimisticRead(): 返回稍后可以验证的戳记，如果独占锁定则返回零。
• boolean validate(long stamp): 如果自给定戳记发行以来锁还没有被独占获取，则返回true。

long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 验戳
if(!lock.validate(stamp)){
  // 锁升级
}

此外，StampedLock 提供了api实现上面3种方式进行转换：

• long tryConvertToWriteLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁，则返回它。或者，如果是读锁，如果写锁可用，则释放读锁并返回写戳记。或者，如果是乐观读，则仅在立即可用时返回写戳记。该方法在所有其他情况下返回零

• long tryConvertToReadLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁，则释放它并获得读锁。或者，如果是读锁，返回它。或者，如果是乐观读，则仅在立即可用时才获得读锁并返回读戳记。该方法在所有其他情况下返回零。

• long tryConvertToOptimisticRead(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配，那么如果戳记表示持有锁，则释放它并返回一个观察戳记。或者，如果是乐观读，则在验证后返回它。该方法在所有其他情况下返回0，因此作为“tryUnlock”的形式可能很有用。

演示例子

下面用一个例子演示下StampedLock的使用，例子来源jdk中的javadoc。

@Slf4j
@Data
public class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double deltaY) throws InterruptedException {
        //涉及对共享资源的修改，使用写锁-独占操作
        long stamp = sl.writeLock();
        log.info("writeLock lock success");
        Thread.sleep(500);
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
            log.info("unlock write lock success");
        }
    }

    /**
     * 使用乐观读锁访问共享资源
     * 注意：乐观读锁在保证数据一致性上需要拷贝一份要操作的变量到方法栈，并且在操作数据时候可能其他写线程已经修改了数据，
     * 而我们操作的是方法栈里面的数据，也就是一个快照，所以最多返回的不是最新的数据，但是一致性还是得到保障的。
     *
     * @return
     */
    double distanceFromOrigin() throws InterruptedException {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();    // 使用乐观读锁
        log.info("tryOptimisticRead lock success");
        // 睡一秒中
        Thread.sleep(1000);
        double currentX = x, currentY = y;      // 拷贝共享资源到本地方法栈中
        if (!sl.validate(stamp)) {              // 如果有写锁被占用，可能造成数据不一致，所以要切换到普通读锁模式
            log.info("validate stamp error");
            stamp = sl.readLock();
            log.info("readLock success");
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
                log.info("unlock read success");
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }

    void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
        // Could instead start with optimistic, not read mode
        long stamp = sl.readLock();
        try {
            while (x == 0.0 && y == 0.0) {
                long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);  //读锁转换为写锁
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                } else {
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

测试用例：

@Test
public void testStamped() throws InterruptedException {
    Point point = new Point();
    point.setX(1);
    point.setY(2);
    // 线程0 执行了乐观读
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        try {
            // 乐观读
            point.distanceFromOrigin();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-0");
    thread0.start();

    Thread.sleep(500);
    // 线程1 执行写锁
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        // 乐观读
        try {
            point.move(3, 4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-1");
    thread1.start();

    thread0.join();
    thread1.join();
}

结果：

性能对比

正是由于​​StampedLock​​的乐观读模式，早就​​StampedLock​​的高性能和高吞吐量，那么具体的性能提高有多少呢？

下图是和ReadWritLock相比，在一个线程情况下，读速度是其4倍左右，写是1倍。

下图是16个线程情况下，读性能是其几十倍，写性能也是近10倍左右：

下图是吞吐量提高：

那么这样是不是说​​StampedLock​​可以全方位的替代​​ReentrantReadWriteLock​​, 答案是否定的，​​StampedLock​​相对于​​ReentrantReadWriteLock​​有下面两个问题：

1. 不支持条件变量Condition
2. 不支持可重入

所以最终选择​​StampedLock​​还是​​ReentrantReadWriteLock​​，还是要看具体的业务场景。

总结

本文主要讲解了​​StampedLock​​的功能和使用，至于原理，​​StampedLock​​虽然不像其它锁一样定义了内部类来实现AQS框架，但是StampedLock的基本实现思路还是利用CLH队列进行线程的管理，通过同步状态值来表示锁的状态和类型，具体的源码实现大家感兴趣的自己可以追踪看看。