StampedLock，一種比讀寫鎖更快的鎖！
01、背景介紹
在上一篇文章中，我們講到了使用ReadWriteLock可以解決多線程同時讀，但只有一個線程能寫的問題。
如果繼續深入的分析ReadWriteLock，從鎖的角度分析，會發現它有一個潛在的問題：如果有線程正在讀數據，寫線程準備修改數據的時候，需要等待讀線程釋放鎖后才能獲取寫鎖，簡單的說就是，讀的過程中不允許寫，這其實是一種悲觀的讀鎖。
為了進一步的提升程序并發執行效率，Java 8 引入了一個新的讀寫鎖：StampedLock。
與ReadWriteLock相比，StampedLock最大的改進點在于：在原先讀寫鎖的基礎上，新增了一種叫樂觀讀的模式。該模式并不會加鎖，因此不會阻塞線程，程序會有更高的執行效率。
什么是樂觀鎖和悲觀鎖呢？
- 樂觀鎖：就是樂觀的估計讀的過程中大概率不會有寫入，因此被稱為樂觀鎖
- 悲觀鎖：指的是讀的過程中拒絕有寫入，也就是寫入必須等待
顯然樂觀鎖的并發執行效率會更高，但一旦有數據的寫入導致讀取的數據不一致，需要能檢測出來，再讀一遍就行。
下面我們一起來了解一下StampedLock的用法！
02、StampedLock 用法介紹
StampedLock的使用方式比較簡單，只需要實例化一個StampedLock對象，然后調用對應的讀寫方法即可，它有三個核心方法如下！
- readLock()：表示讀鎖，多個線程讀不會阻塞，效果與ReadWriteLock的讀鎖模式類似
- writeLock()：表示寫鎖，同一時刻有且只有一個寫線程能獲取鎖資源，效果與ReadWriteLock的寫鎖模式類似
- tryOptimisticRead()：表示樂觀讀，并沒有加鎖，它用于非常短的讀操作，允許多個線程同時讀
其中readLock()和writeLock()方法，與ReadWriteLock的效果完全一致，在此就不重復演示了。
下面我們來看一個tryOptimisticRead()方法的簡單使用示例。
2.1、tryOptimisticRead 方法
public class CounterDemo {
private final StampedLock lock = new StampedLock();
private int count;
public void write() {
// 1.獲取寫鎖
long stamp = lock.writeLock();
try {
count++;
// 方便演示，休眠一下
sleep(200);
println("獲得了寫鎖，count:" + count);
} finally {
// 2.釋放寫鎖
lock.unlockWrite(stamp);
}
}
public int read() {
// 1.嘗試通過樂觀讀模式讀取數據，非阻塞
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 2.假設x = 0，但是x可能被寫線程修改為1
int x = count;
// 方便演示，休眠一下
int millis = new Random().nextInt(500);
sleep(millis);
println("通過樂觀讀模式讀取數據，value:" + x + ", 耗時：" + millis);
// 3.檢查樂觀讀后是否有其他寫鎖發生
if(!lock.validate(stamp)){
// 4.如果有，采用悲觀讀鎖，并重新讀取數據到當前線程局部變量
stamp = lock.readLock();
try {
x = count;
println("樂觀讀后檢查到數據發生變化，獲得了讀鎖，value:" + x);
} finally{
// 5.釋放悲觀讀鎖
lock.unlockRead(stamp);
}
}
// 6.返回讀取的數據
return x;
}
private void sleep(long millis){
try {
Thread.sleep(millis);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void println(String message){
String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
System.out.println(time + " 線程：" + Thread.currentThread().getName() + " " + message);
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CounterDemo counter = new CounterDemo();
Runnable readRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
counter.read();
}
};
Runnable writeRunnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
counter.write();
}
};
// 啟動3個讀線程
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(readRunnable).start();
}
// 停頓一下
Thread.sleep(300);
// 啟動3個寫線程
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(writeRunnable).start();
}
}
}看一下運行結果：
2023-10-25 13:47:16:952 線程：Thread-0 通過樂觀讀模式讀取數據，value:0, 耗時：19
2023-10-25 13:47:17:050 線程：Thread-2 通過樂觀讀模式讀取數據，value:0, 耗時：172
2023-10-25 13:47:17:247 線程：Thread-1 通過樂觀讀模式讀取數據，value:0, 耗時：369
2023-10-25 13:47:17:382 線程：Thread-3 獲得了寫鎖，count:1
2023-10-25 13:47:17:586 線程：Thread-4 獲得了寫鎖，count:2
2023-10-25 13:47:17:788 線程：Thread-5 獲得了寫鎖，count:3
2023-10-25 13:47:17:788 線程：Thread-1 樂觀讀后檢查到數據發生變化，獲得了讀鎖，value:3從日志上可以分析得出，讀線程Thread-0和Thread-2在啟動寫線程之前就已經執行完，因此沒有進入競爭讀鎖階段；而讀線程Thread-1因為在啟動寫線程之后才執行完，這個時候檢查到數據發生變化，因此進入讀鎖階段，保證讀取的數據是最新的。
和ReadWriteLock相比，StampedLock寫入數據的加鎖過程基本類似，不同的是讀取數據。
讀取數據大致的過程如下：
1.嘗試通過tryOptimisticRead()方法樂觀讀模式讀取數據，并返回版本號
2.數據讀取完成后，再通過lock.validate()去驗證版本號，如果在讀取過程中沒有寫入，版本號不會變，驗證成功，直接返回結果
3.如果在讀取過程中有寫入，版本號會發生變化，驗證將失敗。在失敗的時候，再通過悲觀讀鎖再次讀取數據，把讀取的最新結果返回
對于讀多寫少的場景，由于寫入的概率不高，程序在絕大部分情況下可以通過樂觀讀獲取數據，極少數情況下使用悲觀讀鎖獲取數據，并發執行效率得到了大大的提升。
樂觀鎖實際用途也非常廣泛，比如數據庫的字段值修改，我們舉個簡單的例子。
在訂單庫存表上order_store，我們通常會增加了一個數值型版本號字段version，每次更新order_store這個表庫存數據的時候，都將version字段加1，同時檢查version的值是否滿足條件。
select id，... ，version
from order_store
where id = 1000update order_store
set version = version + 1,...
where id = 1000 and version = 1數據庫的樂觀鎖，就是查詢的時候將version查出來，更新的時候利用version字段驗證是否一致，如果相等，說明數據沒有被修改，讀取的數據安全；如果不相等，說明數據已經被修改過，讀取的數據不安全，需要重新讀取。
這里的version就類似于StampedLock的stamp值。
2.2、tryConvertToWriteLock 方法
其次，StampedLock還提供了將悲觀讀鎖升級為寫鎖的功能，對應的核心方法是tryConvertToWriteLock()。
它主要使用在if-then-update的場景，即：程序先采用讀模式，如果讀的數據滿足條件，就返回；如果讀的數據不滿足條件，再嘗試寫。
簡單示例如下：
public int readAndWrite(Integer newCount) {
// 1.獲取讀鎖，也可以使用樂觀讀
long stamp = lock.readLock();
int currentValue = count;
try {
// 2.檢查是否讀取數據
while (Objects.isNull(currentValue)) {
// 3.如果沒有，嘗試升級寫鎖
long wl = lock.tryConvertToWriteLock(stamp);
// 4.不為 0 升級寫鎖成功
if (wl != 0L) {
// 重新賦值
stamp = wl;
count = newCount;
currentValue = count;
break;
} else {
// 5.升級失敗，釋放之前加的讀鎖并上寫鎖，通過循環再試
lock.unlockRead(stamp);
stamp = lock.writeLock();
}
}
} finally {
// 6.釋放最后加的鎖
lock.unlock(stamp);
}
// 7.返回讀取的數據
return currentValue;
}03、小結
總結下來，與ReadWriteLock相比，StampedLock進一步把讀鎖細分為樂觀讀和悲觀讀，能進一步提升了并發執行效率。
好處是非常明顯的，系統性能得到提升，但是代價也不小，主要有以下幾點：
- 1.代碼邏輯更加復雜，如果編程不當很容易出 bug
- 2.StampedLock是不可重入鎖，不能在一個線程中反復獲取同一個鎖，如果編程不當，很容易出現死鎖
- 3.如果線程阻塞在StampedLock的readLock()或者writeLock()方法上時，此時試圖通過interrupt()方法中斷線程，會導致 CPU 飆升。因此，使用 StampedLock一定不要調用中斷操作，如果需要支持中斷功能，推薦使用可中斷的讀鎖readLockInterruptibly()或者寫鎖writeLockInterruptibly()方法。
最后，在實際的使用過程中，樂觀讀編程模型，推薦可以按照以下固定模板編寫。
public int read() {
// 1.嘗試通過樂觀讀模式讀取數據，非阻塞
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 2.假設x = 0，但是x可能被寫線程修改為1
int x = count;
// 3.檢查樂觀讀后是否有其他寫鎖發生
if(!lock.validate(stamp)){
// 4.如果有，采用悲觀讀鎖，并重新讀取數據到當前線程局部變量
stamp = lock.readLock();
try {
x = count;
} finally{
// 5.釋放悲觀讀鎖
lock.unlockRead(stamp);
}
}
// 6.返回讀取的數據
return x;
}04、參考
1、https://www.liaoxuefeng.com
2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/257868603
