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 概覽

在 JDK 1.8 引入 StampedLock，可以理解為對 ReentrantReadWriteLock 在某些方面的增強，在原先讀寫鎖的基礎上新增了一種叫樂觀讀(Optimistic Reading)的模式。該模式并不會加鎖，所以不會阻塞線程，會有更高的吞吐量和更高的性能。

跟著“碼哥字節(jié)”帶著問題一起來看StampedLock給我們帶來了什么…

• 有了ReentrantReadWriteLock，為何還要引入StampedLock?
• 什么是樂觀讀?
• 在讀多寫少的并發(fā)場景下，StampedLock如何解決寫線程難以獲取鎖的線程“饑餓”問題?
• 什么樣的場景使用?
• 實現(xiàn)原理分析，是通過 AQS 實現(xiàn)還是其他的?

特性

它的設計初衷是作為一個內(nèi)部工具類，用于開發(fā)其他線程安全的組件，提升系統(tǒng)性能，并且編程模型也比ReentrantReadWriteLock 復雜，所以用不好就很容易出現(xiàn)死鎖或者線程安全等莫名其妙的問題。

三種訪問數(shù)據(jù)模式：

• Writing(獨占寫鎖)：writeLock 方法會使線程阻塞等待獨占訪問，可類比ReentrantReadWriteLock 的寫鎖模式，同一時刻有且只有一個寫線程獲取鎖資源;
• Reading(悲觀讀鎖)：readLock方法，允許多個線程同時獲取悲觀讀鎖，悲觀讀鎖與獨占寫鎖互斥，與樂觀讀共享。
• Optimistic Reading(樂觀讀)：這里需要注意了，是樂觀讀，并沒有加鎖。也就是不會有 CAS 機制并且沒有阻塞線程。僅當當前未處于 Writing 模式 tryOptimisticRead才會返回非 0 的郵戳(Stamp)，如果在獲取樂觀讀之后沒有出現(xiàn)寫模式線程獲取鎖，則在方法validate返回 true ，允許多個線程獲取樂觀讀以及讀鎖。同時允許一個寫線程獲取寫鎖。

支持讀寫鎖相互轉(zhuǎn)換

ReentrantReadWriteLock 當線程獲取寫鎖后可以降級成讀鎖，但是反過來則不行。

StampedLock提供了讀鎖和寫鎖相互轉(zhuǎn)換的功能，使得該類支持更多的應用場景。

注意事項

1. StampedLock是不可重入鎖，如果當前線程已經(jīng)獲取了寫鎖，再次重復獲取的話就會死鎖;
2. 都不支持 Conditon 條件將線程等待;
3. StampedLock 的寫鎖和悲觀讀鎖加鎖成功之后，都會返回一個 stamp;然后解鎖的時候，需要傳入這個 stamp。

詳解樂觀讀帶來的性能提升

那為何 StampedLock 性能比 ReentrantReadWriteLock 好?

關鍵在于StampedLock 提供的樂觀讀，我們知道ReentrantReadWriteLock 支持多個線程同時獲取讀鎖，但是當多個線程同時讀的時候，所有的寫線程都是阻塞的。

StampedLock 的樂觀讀允許一個寫線程獲取寫鎖，所以不會導致所有寫線程阻塞，也就是當讀多寫少的時候，寫線程有機會獲取寫鎖，減少了線程饑餓的問題，吞吐量大大提高。

這里可能你就會有疑問，竟然同時允許多個樂觀讀和一個先線程同時進入臨界資源操作，那讀取的數(shù)據(jù)可能是錯的怎么辦?

是的，樂觀讀不能保證讀取到的數(shù)據(jù)是最新的，所以將數(shù)據(jù)讀取到局部變量的時候需要通過 lock.validate(stamp) 校驗是否被寫線程修改過，若是修改過則需要上悲觀讀鎖，再重新讀取數(shù)據(jù)到局部變量。

同時由于樂觀讀并不是鎖，所以沒有線程喚醒與阻塞導致的上下文切換，性能更好。

其實跟數(shù)據(jù)庫的“樂觀鎖”有異曲同工之妙，它的實現(xiàn)思想很簡單。我們舉個數(shù)據(jù)庫的例子。

在生產(chǎn)訂單的表 product_doc 里增加了一個數(shù)值型版本號字段 version，每次更新 product_doc 這個表的時候，都將 version 字段加 1。

select id，... ，version 
from product_doc 
where id = 123 

在更新的時候匹配 version 才執(zhí)行更新。

update product_doc 
set version = version + 1,... 
where id = 123 and version = 5 

數(shù)據(jù)庫的樂觀鎖就是查詢的時候?qū)?version 查出來，更新的時候利用 version 字段驗證，若是相等說明數(shù)據(jù)沒有被修改，讀取的數(shù)據(jù)是安全的。

這里的 version 就類似于 StampedLock 的 Stamp。

使用示例

模仿寫一個將用戶 id 與用戶名數(shù)據(jù)保存在 共享變量 idMap 中，并且提供 put 方法添加數(shù)據(jù)、get 方法獲取數(shù)據(jù)、以及 putIfNotExist 先從 map 中獲取數(shù)據(jù)，若沒有則模擬從數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)并放到 map 中。

public class CacheStampedLock { 
    /** 
     * 共享變量數(shù)據(jù) 
     */ 
    private final Map<Integer, String> idMap = new HashMap<>(); 
    private final StampedLock lock = new StampedLock(); 
 
    /** 
     * 添加數(shù)據(jù)，獨占模式 
     */ 
    public void put(Integer key, String value) { 
        long stamp = lock.writeLock(); 
        try { 
            idMap.put(key, value); 
        } finally { 
            lock.unlockWrite(stamp); 
        } 
    } 
 
    /** 
     * 讀取數(shù)據(jù)，只讀方法 
     */ 
    public String get(Integer key) { 
        // 1. 嘗試通過樂觀讀模式讀取數(shù)據(jù)，非阻塞 
        long stamp = lock.tryOptimisticRead(); 
        // 2. 讀取數(shù)據(jù)到當前線程棧 
        String currentValue = idMap.get(key); 
        // 3. 校驗是否被其他線程修改過,true 表示未修改，否則需要加悲觀讀鎖 
        if (!lock.validate(stamp)) { 
            // 4. 上悲觀讀鎖，并重新讀取數(shù)據(jù)到當前線程局部變量 
            stamp = lock.readLock(); 
            try { 
                currentValue = idMap.get(key); 
            } finally { 
                lock.unlockRead(stamp); 
            } 
        } 
        // 5. 若校驗通過，則直接返回數(shù)據(jù) 
        return currentValue; 
    } 
 
    /** 
     * 如果數(shù)據(jù)不存在則從數(shù)據(jù)庫讀取添加到 map 中,鎖升級運用 
     * @param key 
     * @param value 可以理解成從數(shù)據(jù)庫讀取的數(shù)據(jù)，假設不會為 null 
     * @return 
     */ 
    public String putIfNotExist(Integer key, String value) { 
        // 獲取讀鎖，也可以直接調(diào)用 get 方法使用樂觀讀 
        long stamp = lock.readLock(); 
        String currentValue = idMap.get(key); 
        // 緩存為空則嘗試上寫鎖從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)并寫入緩存 
        try { 
            while (Objects.isNull(currentValue)) { 
                // 嘗試升級寫鎖 
                long wl = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); 
                // 不為 0 升級寫鎖成功 
                if (wl != 0L) { 
                    // 模擬從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù), 寫入緩存中 
                    stamp = wl; 
                    currentValue = value; 
                    idMap.put(key, currentValue); 
                    break; 
                } else { 
                    // 升級失敗，釋放之前加的讀鎖并上寫鎖，通過循環(huán)再試 
                    lock.unlockRead(stamp); 
                    stamp = lock.writeLock(); 
                } 
            } 
        } finally { 
            // 釋放最后加的鎖 
            lock.unlock(stamp); 
        } 
        return currentValue; 
    } 
} 

上面的使用例子中，需要引起注意的是 get()和 putIfNotExist() 方法，第一個使用了樂觀讀，使得讀寫可以并發(fā)執(zhí)行，第二個則是使用了讀鎖轉(zhuǎn)換成寫鎖的編程模型，先查詢緩存，當不存在的時候從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)并添加到緩存中。

在使用樂觀讀的時候一定要按照固定模板編寫，否則很容易出 bug，我們總結下樂觀讀編程模型的模板：

public void optimisticRead() { 
    // 1. 非阻塞樂觀讀模式獲取版本信息 
    long stamp = lock.tryOptimisticRead(); 
    // 2. 拷貝共享數(shù)據(jù)到線程本地棧中 
    copyVaraibale2ThreadMemory(); 
    // 3. 校驗樂觀讀模式讀取的數(shù)據(jù)是否被修改過 
    if (!lock.validate(stamp)) { 
        // 3.1 校驗未通過，上讀鎖 
        stamp = lock.readLock(); 
        try { 
            // 3.2 拷貝共享變量數(shù)據(jù)到局部變量 
            copyVaraibale2ThreadMemory(); 
        } finally { 
            // 釋放讀鎖 
            lock.unlockRead(stamp); 
        } 
    } 
    // 3.3 校驗通過，使用線程本地棧的數(shù)據(jù)進行邏輯操作 
    useThreadMemoryVarables(); 
} 

使用場景和注意事項

對于讀多寫少的高并發(fā)場景 StampedLock的性能很好，通過樂觀讀模式很好的解決了寫線程“饑餓”的問題，我們可以使用StampedLock 來代替ReentrantReadWriteLock ，但是需要注意的是 StampedLock 的功能僅僅是 ReadWriteLock 的子集，在使用的時候，還是有幾個地方需要注意一下。

1. StampedLock是不可重入鎖，使用過程中一定要注意;
2. 悲觀讀、寫鎖都不支持條件變量 Conditon ，當需要這個特性的時候需要注意;
3. 如果線程阻塞在 StampedLock 的 readLock() 或者 writeLock() 上時，此時調(diào)用該阻塞線程的 interrupt() 方法，會導致 CPU 飆升。所以，使用 StampedLock 一定不要調(diào)用中斷操作，如果需要支持中斷功能，一定使用可中斷的悲觀讀鎖 readLockInterruptibly() 和寫鎖 writeLockInterruptibly()。這個規(guī)則一定要記清楚。

原理分析

StapedLock局部變量

我們發(fā)現(xiàn)它并不像其他鎖一樣通過定義內(nèi)部類繼承 AbstractQueuedSynchronizer抽象類然后子類實現(xiàn)模板方法實現(xiàn)同步邏輯。但是實現(xiàn)思路還是有類似，依然使用了 CLH 隊列來管理線程，通過同步狀態(tài)值 state 來標識鎖的狀態(tài)。

其內(nèi)部定義了很多變量，這些變量的目的還是跟 ReentrantReadWriteLock 一樣，將狀態(tài)為按位切分，通過位運算對 state 變量操作用來區(qū)分同步狀態(tài)。

比如寫鎖使用的是第八位為 1 則表示寫鎖，讀鎖使用 0-7 位，所以一般情況下獲取讀鎖的線程數(shù)量為 1-126，超過以后，會使用 readerOverflow int 變量保存超出的線程數(shù)。

自旋優(yōu)化

對多核 CPU 也進行一定優(yōu)化，NCPU 獲取核數(shù)，當核數(shù)目超過 1 的時候，線程獲取鎖的重試、入隊錢的重試都有自旋操作。主要就是通過內(nèi)部定義的一些變量來判斷，如圖所示。

等待隊列

隊列的節(jié)點通過 WNode 定義，如上圖所示。等待隊列的節(jié)點相比 AQS 更簡單，只有三種狀態(tài)分別是：

• 0：初始狀態(tài);
• -1：等待中;
• 取消;

另外還有一個字段 cowait ，通過該字段指向一個棧，保存讀線程。結構如圖所示

WNode

同時定義了兩個變量分別指向頭結點與尾節(jié)點。

/** Head of CLH queue */ 
private transient volatile WNode whead; 
/** Tail (last) of CLH queue */ 
private transient volatile WNode wtail; 

另外有一個需要注意點就是 cowait， 保存所有的讀節(jié)點數(shù)據(jù)，使用的是頭插法。

當讀寫線程競爭形成等待隊列的數(shù)據(jù)如下圖所示：

隊列

獲取寫鎖

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)); 
} 

獲取寫鎖，如果獲取失敗則構建節(jié)點放入隊列，同時阻塞線程，需要注意的時候該方法不響應中斷，如需中斷需要調(diào)用 writeLockInterruptibly()。否則會造成高 CPU 占用的問題。

(s = state) & ABITS 標識讀鎖和寫鎖未被使用，那么直接執(zhí)行 U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + WBIT)) CAS 操作將第八位設置 1，標識寫鎖占用成功。CAS 失敗的話則調(diào)用 acquireWrite(false, 0L)加入等待隊列，同時將線程阻塞。

另外acquireWrite(false, 0L) 方法很復雜，運用大量自旋操作，比如自旋入隊列。

獲取讀鎖

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)); 
} 

獲取讀鎖關鍵步驟

(whead == wtail && (s & ABITS) < RFULL如果隊列為空并且讀鎖線程數(shù)未超過限制，則通過 U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + RUNIT))CAS 方式修改 state 標識獲取讀鎖成功。

否則調(diào)用 acquireRead(false, 0L) 嘗試使用自旋獲取讀鎖，獲取不到則進入等待隊列。

acquireRead

當 A 線程獲取了寫鎖，B 線程去獲取讀鎖的時候，調(diào)用 acquireRead 方法，則會加入阻塞隊列，并阻塞 B 線程。方法內(nèi)部依然很復雜，大致流程梳理后如下：

1. 如果寫鎖未被占用，則立即嘗試獲取讀鎖，通過 CAS 修改狀態(tài)為標志成功則直接返回。
2. 如果寫鎖被占用，則將當前線程包裝成 WNode 讀節(jié)點，并插入等待隊列。如果是寫線程節(jié)點則直接放入隊尾，否則放入隊尾專門存放讀線程的 WNode cowait 指向的棧。棧結構是頭插法的方式插入數(shù)據(jù)，最終喚醒讀節(jié)點，從棧頂開始。

釋放鎖無論是 unlockRead 釋放讀鎖還是 unlockWrite釋放寫鎖，總體流程基本都是通過 CAS 操作，修改 state 成功后調(diào)用 release 方法喚醒等待隊列的頭結點的后繼節(jié)點線程。

想將頭結點等待狀態(tài)設置為 0 ，標識即將喚醒后繼節(jié)點。

喚醒后繼節(jié)點通過 CAS 方式獲取鎖，如果是讀節(jié)點則會喚醒 cowait 鎖指向的棧所有讀節(jié)點。

釋放讀鎖

unlockRead(long stamp) 如果傳入的 stamp 與鎖持有的 stamp 一致，則釋放非排它鎖，內(nèi)部主要是通過自旋 + CAS 修改 state 成功，在修改 state 之前做了判斷是否超過讀線程數(shù)限制，若是小于限制才通過 CAS 修改 state 同步狀態(tài)，接著調(diào)用 release 方法喚醒 whead 的后繼節(jié)點。

釋放寫鎖

unlockWrite(long stamp) 如果傳入的 stamp 與鎖持有的 stamp 一致，則釋放寫鎖，whead 不為空，且當前節(jié)點狀態(tài) status != 0 則調(diào)用 release 方法喚醒頭結點的后繼節(jié)點線程。

總結

StampedLock 并不能完全代替ReentrantReadWriteLock ，在讀多寫少的場景下因為樂觀讀的模式，允許一個寫線程獲取寫鎖，解決了寫線程饑餓問題，大大提高吞吐量。

在使用樂觀讀的時候需要注意按照編程模型模板方式去編寫，否則很容易造成死鎖或者意想不到的線程安全問題。

它不是可重入鎖，且不支持條件變量 Conditon。并且線程阻塞在 readLock() 或者 writeLock() 上時，此時調(diào)用該阻塞線程的 interrupt() 方法，會導致 CPU 飆升。如果需要中斷線程的場景，一定要注意調(diào)用悲觀讀鎖 readLockInterruptibly() 和寫鎖 writeLockInterruptibly()。

另外喚醒線程的規(guī)則和 AQS 類似，先喚醒頭結點，不同的是 StampedLock 喚醒的節(jié)點是讀節(jié)點的時候，會喚醒此讀節(jié)點的 cowait 鎖指向的棧的所有讀節(jié)點，但是喚醒與插入的順序相反。