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深入剖析Java并发库（JUC）之StampedLock的应用与原理

news 来源：原创 2024/5/20 15:09:14

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在现代多核处理器架构下，并发编程成为提升程序性能的关键手段。Java作为一门广泛使用的编程语言，提供了丰富的并发编程工具和库，其中Java并发库（JUC）就是非常重要的一部分。在JUC中，除了我们熟知的ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等锁机制外，还有一个相对较新的锁机制——StampedLock。本文将深入解析StampedLock的工作原理、使用场景以及它相比其他锁机制的优势。

一、StampedLock简介

StampedLock是Java 8引入的一种新的锁机制，它提供了乐观读锁和悲观读写锁的能力。与传统的ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock相比，StampedLock在并发性能上有了显著的提升。这是因为它支持一种称为“乐观读”的锁策略，该策略允许多个线程同时读取共享资源，而无需阻塞或等待其他线程的锁释放。

二、StampedLock的工作机制

StampedLock内部维护了一个状态变量，用于表示锁的状态。这个状态变量不仅包含了锁的类型（读锁或写锁），还包含了一个版本号（stamp）。当线程尝试获取锁时，StampedLock会根据锁的类型和当前状态来决定是否授予锁，并返回一个相应的stamp值。线程在释放锁时，需要传入之前获得的stamp值，以确保锁的正确释放。

StampedLock提供了两种类型的读锁：乐观读锁和悲观读锁。乐观读锁允许多个线程同时读取共享资源，而无需阻塞或等待。这种锁策略适用于读多写少的场景，可以显著提高并发性能。然而，如果有一个线程正在修改共享资源，那么乐观读锁可能会读取到不一致的数据。为了避免这种情况，StampedLock还提供了悲观读锁，它在读取共享资源时会阻塞其他写线程的访问。

StampedLock 是 Java 并发包 java.util.concurrent.locks 中的一个类，它提供了乐观读、悲观读和写锁的机制。由于 StampedLock 的实现相对复杂，这里我将简要概述其核心原理，并提供一些关键部分的源码分析。请注意，源码可能会随着 Java 版本的更新而有所变化，以下分析基于 Java 8 及之后的版本。

三、StampedLock的原理

3.1 StampedLock核心

锁状态：StampedLock 使用一个内部变量（通常是一个 long 类型的变量）来维护锁的状态。这个状态不仅表示锁是否被持有，还包含了一个版本号（stamp），用于支持乐观读锁。
乐观读锁：当线程尝试获取乐观读锁时，StampedLock 会检查当前是否有写锁被持有。如果没有，它会增加一个读锁计数器并返回一个 stamp（通常是当前状态的一个快照）。乐观读锁不会阻塞其他读线程或写线程，但可能在写线程获得锁后读取到不一致的数据。
悲观读锁：与乐观读锁不同，悲观读锁会阻塞其他写线程的访问。当线程尝试获取悲观读锁时，StampedLock 会检查是否有其他写线程持有锁或正在等待锁。如果没有，它会授予锁并返回一个 stamp。
写锁：写锁是独占的，意味着同一时间只能有一个线程持有写锁。当线程尝试获取写锁时，StampedLock 会检查是否有其他读锁或写锁被持有。如果有，线程将被阻塞直到锁被释放。
可重入性：StampedLock 支持锁的可重入性，即一个线程可以多次获得同一个锁而不会导致死锁。这是通过跟踪每个线程的锁持有计数来实现的。
锁转换：StampedLock 允许线程将乐观读锁转换为悲观读锁或写锁，或将悲观读锁转换为写锁，前提是在转换过程中没有其他线程获得相应的锁。

3.2 源码分析

由于 StampedLock 的源码较长且复杂，这里只展示和分析一些关键部分。

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锁状态变量

StampedLock 使用一个名为 state 的 long 类型变量来存储锁的状态。这个状态包含了锁的类型（读锁、写锁）和版本号等信息。

private final long WRITER_MASK = 0x8000000000000000L; // 写锁标志位
private final long NOT_LOCKED = 0L; // 锁未被持有的状态
private volatile long state; // 锁状态变量

乐观读锁获取

当线程尝试获取乐观读锁时，会调用 tryOptimisticRead 方法：

public long tryOptimisticRead() {long s = state; // 获取当前锁状态// 检查是否有写锁被持有（通过检查最高位是否为1）if ((s & WRITER_MASK) != 0L) {// 有写锁被持有，返回0表示获取失败return 0L;} else {// 没有写锁被持有，返回当前状态作为stamp（乐观读锁不会改变锁状态）return s;}
}

写锁获取

当线程尝试获取写锁时，会调用类似 writeLock 或 tryWriteLock 的方法，这些方法最终会调用一个内部方法来实现锁的获取逻辑。以下是一个简化的示例：

private boolean acquireWrite(boolean interruptible, long deadline) {// 省略部分代码...long s = state, next; // 当前状态和下一个状态// 循环尝试获取锁直到成功或超时或中断while (((s & WRITER_MASK) != 0L) || ((next = tryIncWriter(s)) == 0L)) {// 锁被其他线程持有，根据interruptible和deadline决定等待或返回失败// 省略等待和中断处理逻辑...}// 成功获取写锁，设置锁持有者信息（线程和重入计数）并返回true// 省略设置锁持有者信息和返回逻辑...
}

tryIncWriter 会尝试增加写锁计数器并返回新的状态。如果返回 0，表示获取锁失败（通常是因为锁已经被其他线程持有或状态已经改变）。注意这里的循环和等待逻辑是为了处理并发访问和锁竞争的情况。

四、StampedLock的使用场景

StampedLock适用于读多写少、数据一致性要求不高的场景。例如，在一个缓存系统中，多个线程可能同时读取同一个缓存项，而只有少数线程会修改缓存项。在这种情况下，使用StampedLock的乐观读锁可以显著提高并发性能。然而，如果数据一致性要求非常高，或者写操作非常频繁，那么可能需要考虑使用其他的锁机制，如ReentrantLock或ReentrantReadWriteLock。

五、StampedLock的使用

下面的代码展示了如何使用乐观读锁、悲观读锁和写锁。注意下，这只是一个基础示例，用于说明各种锁的使用方式。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;public class StampedLockExample {// 创建一个 StampedLock 实例private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();// 共享资源private int balance = 0;// 使用乐观读锁读取余额public int getBalanceWithOptimisticReadLock() {// 尝试获取乐观读锁long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();// 读取余额int currentBalance = balance;// 检查乐观读锁在读取过程中是否被无效（比如被写锁干扰）if (!stampedLock.validate(stamp)) {// 如果无效，则使用悲观读锁重新读取stamp = stampedLock.readLock();try {currentBalance = balance;} finally {// 释放悲观读锁stampedLock.unlockRead(stamp);}}return currentBalance;}// 使用悲观读锁读取余额public int getBalanceWithPessimisticReadLock() {// 获取悲观读锁long stamp = stampedLock.readLock();try {// 读取余额return balance;} finally {// 释放悲观读锁stampedLock.unlockRead(stamp);}}// 使用写锁更新余额public void updateBalanceWithWriteLock(int amount) {// 获取写锁long writeStamp = stampedLock.writeLock();try {// 更新余额balance += amount;} finally {// 释放写锁stampedLock.unlockWrite(writeStamp);}}public static void main(String[] args) {StampedLockExample example = new StampedLockExample();// 模拟多线程环境下的读写操作Runnable readTask = () -> {int balance = example.getBalanceWithOptimisticReadLock();System.out.println("读取到的余额（乐观读锁）: " + balance);};Runnable writeTask = () -> {example.updateBalanceWithWriteLock(100);System.out.println("更新了余额（写锁）, 新余额: " + example.getBalanceWithPessimisticReadLock());};// 启动多个读线程和写线程来模拟并发访问// 注意：在实际应用中，应该控制线程的数量和执行顺序以避免过度竞争和潜在的死锁风险。// 这里为了简化示例，并没有使用线程池或同步工具来控制线程的启动和终止。new Thread(readTask).start();new Thread(readTask).start();new Thread(writeTask).start();// ... 可以继续启动更多线程进行测试}
}

在上面的代码中，我们有一个 balance 变量作为共享资源。我们定义了三个方法：

getBalanceWithOptimisticReadLock：使用乐观读锁尝试读取余额。如果在读取过程中乐观读锁被写锁干扰而失效，它将回退到使用悲观读锁重新读取余额。
getBalanceWithPessimisticReadLock：使用悲观读锁读取余额。这将阻止其他写线程在此期间修改余额，但允许多个读线程同时读取。
updateBalanceWithWriteLock：使用写锁更新余额。这将独占访问共享资源，确保在更新期间没有其他线程能够读取或写入余额。

在 main 方法中，我们创建了一个 StampedLockExample 实例，并定义了读任务和写任务来模拟多线程环境下的读写操作。然后，我们启动多个线程来执行这些任务。

六、StampedLock与其他锁机制的比较

与传统的ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock相比，StampedLock在并发性能上有了显著的提升。这是因为它采用了乐观读锁的策略，允许多个线程同时读取共享资源。
此外，StampedLock还支持可重入锁和公平锁的特性，提供了更灵活的锁控制选项。
然而，StampedLock的使用也相对复杂一些，需要开发者对锁的状态和版本号进行精细的控制和管理。

总结

StampedLock是Java并发库（JUC）中一种高效、灵活的锁机制。它提供了乐观读锁和悲观读写锁的能力，适用于读多写少、数据一致性要求不高的场景。与传统的ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock相比，StampedLock在并发性能上有了显著的提升。然而，它的使用也相对复杂一些，需要开发者对锁的状态和版本号进行精细的控制和管理。在实际应用中，开发者应根据具体的场景和需求选择合适的锁机制来确保程序的正确性和性能。