优享资讯 | 面试官：素有Java锁王称号的‘StampedLock’你知道吗？我：这什么鬼？

掘金后端 ( ) • 2024-04-28 22:19

面试官：素有Java锁王称号的‘StampedLock’你知道吗？我：这什么鬼？

一、写在开头

我们在上一篇写ReentrantReadWriteLock读写锁的末尾留了一个小坑，那就是读写锁因为写锁的悲观性，会导致 “写饥饿”，这样一来会大大的降低读写效率，而今天我们就来将此坑填之！填坑工具为：StampedLock，一个素有Java锁王称号的同步类，也是在 java.util.concurrent.locks 包中。

需要声明的是，这个类在Java的面试过程中极少被问及，如果仅仅是为了准备面试的话，这部分内容可以忽略，但这个类的实现逻辑还是值得一学的。

二、StampedLock 是什么？

StampedLock是由Java8时引入的一个性能更好的读写锁，作者：Doug Lea，支持读锁、写锁，这与ReentrantReadWriteLock类似，但同时多了一个乐观读锁的实现，这一点直接提升了它的性能。

三、StampedLock的原理

虽然StampedLock性能更好，但是！不可重入且不支持条件变量 Condition，且并没有直接实现Lock或者ReadWriteLock接口，而是与AQS类似的采用CLH(Craig, Landin, and Hagersten locks)作为底层实现。

在Java的官方docs中对于它进行了如下的描述：

并且官方还提供了一个示例，我们来看一下：

class Point {
	//共享变量
   private double x, y;
   private final StampedLock sl = new StampedLock();

   // 写锁的使用
   void move(double deltaX, double deltaY) {
     long stamp = sl.writeLock(); //涉及对共享资源的修改，使用写锁-独占操作
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
     }
   }

  	/**
     * 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() {
     long stamp = sl.tryOptimisticRead(); // 获取乐观读锁
     double currentX = x, currentY = y;	// 拷贝共享资源到本地方法栈中
     if (!sl.validate(stamp)) { // //检查乐观读锁后是否有其他写锁发生，有则返回false
        stamp = sl.readLock(); // 获取一个悲观读锁
        try {
          currentX = x;
          currentY = y;
        } finally {
           sl.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
        }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }

   // 悲观读锁以及读锁升级写锁的使用
   void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) {
     long stamp = sl.readLock(); // 悲观读锁
     try {
       while (x == 0.0 && y == 0.0) {
         // 读锁尝试转换为写锁：转换成功后相当于获取了写锁，转换失败相当于有写锁被占用
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);

         if (ws != 0L) { // 如果转换成功
           stamp = ws; // 读锁的票据更新为写锁的
           x = newX;
           y = newY;
           break;
         }
         else { // 如果转换失败
           sl.unlockRead(stamp); // 释放读锁
           stamp = sl.writeLock(); // 强制获取写锁
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp); // 释放所有锁
     }
   }
}

在StampedLock 的底层提供了三种锁：

写锁： 独占锁，一把锁只能被一个线程获得。当一个线程获取写锁后，其他请求读锁和写锁的线程必须等待。类似于 ReentrantReadWriteLock 的写锁，不过这里的写锁是不可重入的。
读锁（悲观读）：共享锁，没有线程获取写锁的情况下，多个线程可以同时持有读锁。如果己经有线程持有写锁，则其他线程请求获取该读锁会被阻塞。类似于 ReentrantReadWriteLock 的读锁，不过这里的读锁是不可重入的。
乐观读 ：允许多个线程获取乐观读以及读锁。同时允许一个写线程获取写锁。

【源码示例】

// 写锁
public long writeLock() {
    long s, next;  // bypass acquireWrite in fully unlocked case only
    return ((((s = state) & ABITS) == 0L &&
             U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + WBIT)) ?
            next : acquireWrite(false, 0L));
}
// 读锁
public long readLock() {
    long s = state, next;  // bypass acquireRead on common uncontended case
    return ((whead == wtail && (s & ABITS) < RFULL &&
             U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + RUNIT)) ?
            next : acquireRead(false, 0L));
}
// 乐观读
public long tryOptimisticRead() {
    long s;
    return (((s = state) & WBIT) == 0L) ? (s & SBITS) : 0L;
}

StampedLock 在获取锁的时候会返回一个 long 型的数据戳，该数据戳用于稍后的锁释放参数，如果返回的数据戳为 0 则表示锁获取失败。当前线程持有了锁再次获取锁还是会返回一个新的数据戳，这也是StampedLock不可重入的原因。此外，在官网给的示例中我们也看到了，StampedLock 还支持这3种锁的转换：

long tryConvertToWriteLock(long stamp){}
long tryConvertToReadLock(long stamp){}
long tryConvertToOptimisticRead(long stamp){}

内部常量说明

在源码中我们看到，无论哪种锁，在获取的时候都会返回一个long类型的时间戳，这其实就是StampedLock命名的由来，而这个时间戳的第8位用来标识写锁，前 7 位（LG_READERS）来表示读锁，每获取一个悲观读锁，就加 1（RUNIT），每释放一个悲观读锁，就减 1。而悲观读锁最多只能装 128 个（7 位限制），很容易溢出，所以用一个 int 类型的变量来存储溢出的悲观读锁。

四、StampedLock的使用

结果上面的StampedLock特性和官方的示例，我们写一个小demo来感受一下它的使用，需要注意的是在获取乐观锁时，如果有写锁改变数据时，为保证数据一致性，要切换为普通的读锁模式。

【测试示例】

public class Test {

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

    public void write(int value) {
        long stamp = sl.writeLock();
        try {
            data = value;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public int read() {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        int currentData = data;
        // 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
        if (!sl.validate(stamp)) {
            stamp = sl.readLock();
            try {
                currentData = data;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentData;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();

        Thread writer = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                test.write(i);
                System.out.println("当前线程" + Thread.currentThread().getName() + ":Write: " + i);
            }
        });

        Thread reader = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                int value = test.read();
                System.out.println("当前线程" + Thread.currentThread().getName() + ":Read: " + value);
            }
        });

        writer.start();
        reader.start();
    }
}

输出：

当前线程Thread-0:Write: 0
当前线程Thread-0:Write: 1
当前线程Thread-1:Read: 0
当前线程Thread-0:Write: 2
当前线程Thread-1:Read: 2
当前线程Thread-0:Write: 3
当前线程Thread-1:Read: 3
当前线程Thread-0:Write: 4
当前线程Thread-1:Read: 4
当前线程Thread-1:Read: 4

五、总结

相比于传统读写锁多出来的乐观读是StampedLock比 ReadWriteLock 性能更好的关键原因。StampedLock 的乐观读允许一个写线程获取写锁，所以不会导致所有写线程阻塞，也就是当读多写少的时候，写线程有机会获取写锁，减少了线程饥饿的问题，吞吐量大大提高。

不过，需要注意的是StampedLock不可重入，不支持条件变量 Condition，对中断操作支持也不友好（使用不当容易导致 CPU 飙升）。如果你需要用到 ReentrantLock 的一些高级性能，就不太建议使用 StampedLock 了。

六、结尾彩蛋

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