StampedLock详解

在现代的Java应用中，同步是一个核心问题，尤其是在高并发环境下。Java提供了多种同步机制，从基本的synchronized关键字到更高级的ReentrantLock。但在Java 8中，引入了一个新的同步原语——StampedLock，它旨在提供更高的性能，特别是在读操作远多于写操作的场景中。

1.什么是StampedLock？

StampedLock是一个同步工具，它支持三种访问模式：写锁、乐观读和悲观读。这三种模式使得StampedLock能够在不同的使用场景下提供更高的吞吐量。
StampedLock 是 Java 8 引入的一种新的同步原语，用于替代 ReentrantLock 以提供更高的并发性能。它使用了一种称为 “乐观读”（optimistic reading）的技术，以及 “写锁”（write lock）和 “读锁”（read lock）的分离，以优化读多写少的场景。

2.特点

1. 三种访问模式：

• 写锁：独占锁，用于修改数据。
• 乐观读：不阻塞其他读或写，但在数据实际被读取前，会检查锁是否已被其他线程获取。
• 悲观读：阻塞写但不阻塞其他读。

2. 优化读操作：在大量读操作和较少写操作的场景中，StampedLock 可以提供更好的性能。
3. 不可重入：与 ReentrantLock 不同，StampedLock 不是可重入的。
4. 无条件公平性：StampedLock 不提供任何公平性保证。

3.构造函数和相关方法

1. 实例化：

StampedLock lock = new StampedLock();

2. 写锁：

long stamp = lock.writeLock();
try {
    // 修改共享数据的代码
} finally {
    lock.unlockWrite(stamp);
}

3. 乐观读：

long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 读取共享数据的代码
if (!lock.validate(stamp)) {
    // 如果在读取过程中锁被其他线程获取，则执行以下代码
    stamp = lock.readLock();
    try {
        // 重新读取共享数据的代码
    } finally {
        lock.unlockRead(stamp);
    }
}

4. 悲观读：

long stamp = lock.readLock();
try {
    // 读取共享数据的代码
} finally {
    lock.unlockRead(stamp);
}

注意事项：

• 由于 StampedLock 不可重入，因此在同一个线程中多次获取同一个锁时，必须小心。
• StampedLock 没有与 Condition 类似的机制，因此不适合需要等待/通知模式的场景。
• 在使用乐观读时，需要注意 validate() 方法的调用，以确保在读取过程中锁没有被其他线程获取。

4.为什么选择StampedLock？

与传统的ReentrantLock相比，StampedLock在以下方面提供了优势：

• 性能：StampedLock通过乐观读和悲观读的分离，优化了读多写少的场景。在大量读操作的场景下，StampedLock可以提供比ReentrantLock更高的吞吐量。
• 灵活性：开发者可以根据具体的使用场景选择合适的锁模式。例如，在数据更新不频繁，但读取非常频繁的场景下，乐观读可能是一个更好的选择。

5.使用示例

首先是Counter类，它使用StampedLock来保护其内部计数器：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class Counter {
    private int count;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    public void increment() {
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public int read() {
        long stamp = lock.readLock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlockRead(stamp);
        }
    }

    public int optimisticRead() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        int currentCount = count;

        // 检查在读取过程中是否有写操作
        if (!lock.validate(stamp)) {
            // 如果写锁已被获取，则升级为悲观读锁
            stamp = lock.readLock();
            try {
                currentCount = count;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentCount;
    }
}

接下来是测试类CounterTest，它将创建多个线程来模拟并发读写操作：

public class CounterTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Counter counter = new Counter();

        // 创建并启动写线程
        Thread writer = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        // 创建并启动读线程
        Thread reader = new Thread(() -> {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                sum += counter.read();
            }
            System.out.println("Sum read via pessimistic lock: " + sum);
        });

        // 创建并启动乐观读线程
        Thread optimisticReader = new Thread(() -> {
            int optimisticSum = 0;
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                optimisticSum += counter.optimisticRead();
            }
            System.out.println("Sum read via optimistic lock: " + optimisticSum);
        });

        // 启动所有线程
        writer.start();
        reader.start();
        optimisticReader.start();

        // 等待所有线程完成
        writer.join();
        reader.join();
        optimisticReader.join();

        // 打印最终计数器的值
        System.out.println("Final counter value: " + counter.read());
    }
}

运行结果：

Sum read via pessimistic lock: 999000
Sum read via optimistic lock: 990000
Final counter value: 1000

在这个例子中，pessimistic lock（悲观锁）指的是使用readLock方法获取的读锁，它保证在读取计数器时不会被写线程中断。而optimistic lock（乐观锁）则尝试在不阻塞的情况下读取计数器，但如果在读取过程中发生了写操作，则会重新读取。

由于乐观读不保证每次都能成功，所以在高并发环境下，乐观读计算的和可能会小于实际写入的次数。然而，在读多写少且写冲突不频繁的场景下，乐观读通常能够提供更高的吞吐量。

6.总结

StampedLock是一个强大的同步工具，它在特定的使用场景下可以提供比传统锁更高的性能。