18 | StampedLock：有没有比读写锁更快的锁？-Java并发编程实战

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18 | StampedLock：有没有比读写锁更快的锁？

在Java并发编程的广阔领域中，锁是实现线程同步和数据一致性保护的关键机制之一。随着多线程应用对性能要求的日益提升，选择合适的锁策略成为了优化程序性能的重要方面。Java并发包（java.util.concurrent）提供了多种锁机制，如ReentrantLock、ReadWriteLock等，它们各自适用于不同的并发场景。然而，在追求极致性能的道路上，Java 8 引入了一种新的锁机制——StampedLock，它旨在提供一种比传统读写锁更快但使用上更为复杂的锁机制。

一、`StampedLock`简介

StampedLock是Java 8中新增的一个类，它提供了一种基于能力（capability）的锁机制。与传统的读写锁（如ReentrantReadWriteLock）相比，StampedLock通过允许读操作在大多数情况下无锁进行（即乐观读），从而提高了性能。这种设计思想类似于无锁编程中的CAS（Compare-And-Swap）操作，但StampedLock提供了更高级的锁管理能力，同时保持了相对简单的API。

二、`StampedLock`的核心概念

StampedLock的核心在于它返回的“stamp”（戳记）。每个锁状态（无论是读锁还是写锁）都通过一个唯一的stamp值来表示，这个stamp值作为后续解锁操作的凭证。当线程尝试获取锁时，StampedLock会返回一个stamp值，表示该线程已成功获取了相应的锁。当线程完成操作并希望释放锁时，它必须提供之前获得的stamp值作为解锁的凭证。

三、`StampedLock`的锁模式

StampedLock支持三种基本的锁模式：

写锁（Exclusive Lock）：
写锁是排他的，即在同一时刻，只有一个线程可以持有写锁。持有写锁的线程可以安全地修改受保护的数据，而无需担心其他线程同时访问。
悲观读锁（Pessimistic Read Lock）：
悲观读锁与传统读写锁中的读锁相似，它在获取锁时会阻塞其他写锁的申请，但不会阻塞其他读锁的申请。这种模式适用于读多写少的场景，但相比乐观读，它可能会引入更多的锁竞争。
乐观读（Optimistic Read）：
乐观读是StampedLock最独特的特性之一。它允许读操作在大多数情况下无锁进行，通过验证数据在读取期间未被修改来确保数据一致性。如果数据在读取过程中被修改，则乐观读会失败，并需要重试或转换为悲观读。

四、`StampedLock`的性能优势

StampedLock相比传统读写锁的主要性能优势在于其乐观读模式。在并发环境中，读操作往往远多于写操作，而乐观读能够在不引入额外锁开销的情况下执行，从而显著提高程序的吞吐量。然而，这种性能提升并非无代价的，它要求开发者在编写代码时更加小心，确保能够正确处理乐观读失败的情况。

五、使用`StampedLock`的注意事项

尽管StampedLock提供了性能上的优势，但其使用也伴随着一些挑战和限制：

不支持重入：
StampedLock不支持锁的重入。如果一个线程已经持有了读锁或写锁，它不能再次尝试获取任何类型的锁（无论是读锁还是写锁），否则会导致死锁。这一限制要求开发者在编写代码时需要更加注意锁的获取和释放逻辑。
乐观读的风险：
乐观读虽然性能高，但并非总是安全的。如果多个线程频繁地修改共享数据，乐观读可能会频繁失败，导致性能下降。此外，乐观读还需要开发者在代码中显式地处理数据一致性问题，增加了编程的复杂性。
中断不敏感：
与ReentrantLock等可中断锁不同，StampedLock的获取锁操作是不响应中断的。这意味着，如果一个线程在等待锁时被中断，它将无法立即响应中断，而是会继续等待直到锁被释放或操作超时。
转换锁的复杂性：
在某些情况下，可能需要将乐观读转换为悲观读或写锁。这种转换需要额外的逻辑来确保数据的一致性和线程的安全性，增加了代码的复杂性。

六、`StampedLock`的应用场景

StampedLock最适合用于读多写少、且读操作对性能要求极高的场景。例如，在缓存系统、数据聚合或报告生成等应用中，读操作往往远多于写操作，且对数据的实时性要求不高。在这些场景下，使用StampedLock可以显著提高程序的吞吐量，减少锁竞争带来的性能开销。

七、示例代码

下面是一个使用StampedLock的简单示例，展示了如何在一个共享数据上实现读写操作：

import java.util.concurrent.StampedLock;
public class DataStructure {
    private final StampedLock lock = new StampedLock();
    private int value = 0;
    public void increment() {
        long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            value++;
        } finally {
            lock.unlock(stamp); // 释放写锁
        }
    }
    public int getValueOptimistically() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试获取乐观读锁
        int current = value;
        if (!lock.validate(stamp)) { // 检查锁是否被其他线程获取
            stamp = lock.readLock(); // 转换为悲观读锁
            try {
                current = value;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
            }
        }
        return current;
    }
}

八、总结

StampedLock作为Java 8中引入的一种新型锁机制，通过提供乐观读模式，在特定场景下能够显著提升程序的性能。然而，其使用也伴随着一定的挑战和限制，要求开发者在编写代码时需要更加谨慎和细致。在选择是否使用StampedLock时，需要根据具体的应用场景和性能需求进行权衡和考虑。通过合理使用StampedLock，可以在保持数据一致性的同时，实现更高的并发性能和吞吐量。