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前言

在多線程開(kāi)發(fā)中，為了控制線程同步，使用的最多的莫過(guò)于synchronized 關(guān)鍵字和重入鎖。在JDK8中，又引入了一款新式武器StampedLock。這是一個(gè)什么東西呢?英文單詞Stamp，意思是郵戳。那在這里有用什么含義呢?傻瓜，請(qǐng)看下面的分解。

面對(duì)臨界區(qū)資源管理的問(wèn)題，大體上有2套思路：

第一就是使用悲觀的策略，悲觀者這樣認(rèn)為：在每一次訪問(wèn)臨界區(qū)的共享變量，總是有人會(huì)和我沖突，因此，每次訪問(wèn)我必須先鎖住整個(gè)對(duì)象，完成訪問(wèn)后再解鎖。

而與之相反的樂(lè)天派卻認(rèn)為，雖然臨界區(qū)的共享變量會(huì)沖突，但是沖突應(yīng)該是小概率事件，大部分情況下，應(yīng)該不會(huì)發(fā)生，所以，我可以先訪問(wèn)了再說(shuō)，如果等我用完了數(shù)據(jù)還沒(méi)人沖突，那么我的操作就是成功;如果我使用完成后，發(fā)現(xiàn)有人沖突，那么我要么再重試一次，要么切換為悲觀的策略。

從這里不難看到，重入鎖以及synchronized 是一種典型的悲觀策略。聰明的你一定也猜到了，StampedLock就是提供了一種樂(lè)觀鎖的工具，因此，它是對(duì)重入鎖的一個(gè)重要的補(bǔ)充。

StampedLock的基本使用

在StampedLock的文檔中就提供了一個(gè)非常好的例子，讓我們可以很快的理解StampedLock的使用。下面讓我看一下這個(gè)例子，有關(guān)它的說(shuō)明，都寫(xiě)在注釋中了。

這里再說(shuō)明一下validate()方法的含義，函數(shù)簽名長(zhǎng)這樣：

public boolean validate(long stamp) 

它的接受參數(shù)是上次鎖操作返回的郵戳，如果在調(diào)用validate()之前，這個(gè)鎖沒(méi)有寫(xiě)鎖申請(qǐng)過(guò)，那就返回true，這也表示鎖保護(hù)的共享數(shù)據(jù)并沒(méi)有被修改，因此之前的讀取操作是肯定能保證數(shù)據(jù)完整性和一致性的。

反之，如果鎖在validate()之前有寫(xiě)鎖申請(qǐng)成功過(guò)，那就表示，之前的數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)操作沖突了，程序需要進(jìn)行重試，或者升級(jí)為悲觀鎖。

和重入鎖的比較

從上面的例子其實(shí)不難看到，就編程復(fù)雜度來(lái)說(shuō)，StampedLock其實(shí)是要比重入鎖復(fù)雜的多，代碼也沒(méi)有以前那么簡(jiǎn)潔了。

那么，我們?yōu)槭裁催€要使用它呢?

最本質(zhì)的原因，就是為了提升性能!一般來(lái)說(shuō)，這種樂(lè)觀鎖的性能要比普通的重入鎖快幾倍，而且隨著線程數(shù)量的不斷增加，性能的差距會(huì)越來(lái)越大。

簡(jiǎn)而言之，在大量并發(fā)的場(chǎng)景中StampedLock的性能是碾壓重入鎖和讀寫(xiě)鎖的。

但畢竟，世界上沒(méi)有十全十美的東西，StampedLock也并非全能，它的缺點(diǎn)如下：

編碼比較麻煩，如果使用樂(lè)觀讀，那么沖突的場(chǎng)景要應(yīng)用自己處理

它是不可重入的，如果一不小心在同一個(gè)線程中調(diào)用了兩次，那么你的世界就清凈了。。。。。

它不支持wait/notify機(jī)制

如果以上3點(diǎn)對(duì)你來(lái)說(shuō)都不是問(wèn)題，那么我相信StampedLock應(yīng)該成為你的首選。

內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了幫助大家更好的理解StampedLock，這里再簡(jiǎn)單給大家介紹一下它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在StampedLock中，有一個(gè)隊(duì)列，里面存放著等待在鎖上的線程。該隊(duì)列是一個(gè)鏈表，鏈表中的元素是一個(gè)叫做WNode的對(duì)象：

當(dāng)隊(duì)列中有若干個(gè)線程等待時(shí)，整個(gè)隊(duì)列可能看起來(lái)像這樣的：

除了這個(gè)等待隊(duì)列，StampedLock中另外一個(gè)特別重要的字段就是long state， 這是一個(gè)64位的整數(shù)，StampedLock對(duì)它的使用是非常巧妙的。

state 的初始值是:

private static final int LG_READERS = 7; 
private static final long WBIT  = 1L << LG_READERS; 
private static final long ORIGIN = WBIT << 1; 

也就是 ...0001 0000 0000 (前面的0太多了，不寫(xiě)了，湊足64個(gè)吧~)，為什么這里不用0做初始值呢?因?yàn)?有特殊的含義，為了避免沖突，所以選擇了一個(gè)非零的數(shù)字。

如果有寫(xiě)鎖占用，那么就讓第7位設(shè)置為1 ...0001 1000 0000，也就是加上WBIT。

每次釋放寫(xiě)鎖，就加1，但不是state直接加，而是去掉最后一個(gè)字節(jié)，只使用前面的7個(gè)字節(jié)做統(tǒng)計(jì)。因此，釋放寫(xiě)鎖后，state就變成了：...0010 0000 0000， 再加一次鎖，又變成：...0010 1000 0000，以此類推。

這里為什么要記錄寫(xiě)鎖釋放的次數(shù)呢?

這是因?yàn)檎麄€(gè)state 的狀態(tài)判斷都是基于CAS操作的。而普通的CAS操作可能會(huì)遇到ABA的問(wèn)題，如果不記錄次數(shù)，那么當(dāng)寫(xiě)鎖釋放掉，申請(qǐng)到，再釋放掉時(shí)，我們將無(wú)法判斷數(shù)據(jù)是否被寫(xiě)過(guò)。而這里記錄了釋放的次數(shù)，因此出現(xiàn)"釋放->申請(qǐng)->釋放"的時(shí)候，CAS操作就可以檢查到數(shù)據(jù)的變化，從而判斷寫(xiě)操作已經(jīng)有發(fā)生，作為一個(gè)樂(lè)觀鎖來(lái)說(shuō)，就可以準(zhǔn)確判斷沖突已經(jīng)產(chǎn)生，剩下的就是交給應(yīng)用來(lái)解決沖突即可。因此，這里記錄釋放鎖的次數(shù)，是為了精確地監(jiān)控線程沖突。

而state剩下的那一個(gè)字節(jié)的其中7位，用來(lái)記錄讀鎖的線程數(shù)量，由于只有7位，因此只能記錄可憐的126個(gè),看下面代碼中的RFULL，就是讀線程滿載的數(shù)量。超過(guò)了怎么辦呢，多余的部分就記錄在readerOverflow字段中。

private static final long WBIT  = 1L << LG_READERS; 
private static final long RBITS = WBIT - 1L; 
private static final long RFULL = RBITS - 1L; 
private transient int readerOverflow; 

總結(jié)一下，state變量的結(jié)構(gòu)如下：

寫(xiě)鎖的申請(qǐng)和釋放

在了解了StampedLock的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，讓我們?cè)賮?lái)看一下有關(guān)寫(xiě)鎖的申請(qǐng)和釋放吧!首先是寫(xiě)鎖的申請(qǐng)：

public long writeLock() { 
    long s, next;   
    return ((((s = state) & ABITS) == 0L &&  //有沒(méi)有讀寫(xiě)鎖被占用，如果沒(méi)有，就設(shè)置上寫(xiě)鎖標(biāo)記 
             U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + WBIT)) ? 
            //如果寫(xiě)鎖占用成功范圍next，如果失敗就進(jìn)入acquireWrite()進(jìn)行鎖的占用。 
            next : acquireWrite(false, 0L)); 
} 

如果CAS設(shè)置state失敗，表示寫(xiě)鎖申請(qǐng)失敗，這時(shí)，會(huì)調(diào)用acquireWrite()進(jìn)行申請(qǐng)或者等待。acquireWrite()大體做了下面幾件事情：

1.入隊(duì)

• 如果頭結(jié)點(diǎn)等于尾結(jié)點(diǎn)wtail == whead， 表示快輪到我了，所以進(jìn)行自旋等待，搶到就結(jié)束了
• 如果wtail==null ，說(shuō)明隊(duì)列都沒(méi)初始化，就初始化一下隊(duì)列
• 如果隊(duì)列中有其他等待結(jié)點(diǎn)，那么只能老老實(shí)實(shí)入隊(duì)等待了

2.阻塞并等待

• 如果頭結(jié)點(diǎn)等于前置結(jié)點(diǎn)(h = whead) == p), 那說(shuō)明也快輪到我了，不斷進(jìn)行自旋等待爭(zhēng)搶
• 否則喚醒頭結(jié)點(diǎn)中的讀線程
• 如果搶占不到鎖，那么就park()當(dāng)前線程

簡(jiǎn)單地說(shuō)，acquireWrite()函數(shù)就是用來(lái)爭(zhēng)搶鎖的，它的返回值就是代表當(dāng)前鎖狀態(tài)的郵戳，同時(shí)，為了提高鎖的性能，acquireWrite()使用大量的自旋重試，因此，它的代碼看起來(lái)有點(diǎn)晦澀難懂。

寫(xiě)鎖的釋放如下所示，unlockWrite()的傳入?yún)?shù)是申請(qǐng)鎖時(shí)得到的郵戳：

public void unlockWrite(long stamp) { 
    WNode h; 
    //檢查鎖的狀態(tài)是否正常 
    if (state != stamp || (stamp & WBIT) == 0L) 
        throw new IllegalMonitorStateException(); 
    // 設(shè)置state中標(biāo)志位為0，同時(shí)也起到了增加釋放鎖次數(shù)的作用 
    state = (stamp += WBIT) == 0L ? ORIGIN : stamp; 
    // 頭結(jié)點(diǎn)不為空，嘗試喚醒后續(xù)的線程 
    if ((h = whead) != null && h.status != 0) 
        //喚醒(unpark)后續(xù)的一個(gè)線程 
        release(h); 
} 

讀鎖的申請(qǐng)和釋放

獲取讀鎖的代碼如下：

public long readLock() { 
    long s = state, next;   
    //如果隊(duì)列中沒(méi)有寫(xiě)鎖，并且讀線程個(gè)數(shù)沒(méi)有超過(guò)126，直接獲得鎖，并且讀線程數(shù)量加1 
    return ((whead == wtail && (s & ABITS) < RFULL && 
             U.compareAndSwapLong(this, STATE, s, next = s + RUNIT)) ? 
            //如果爭(zhēng)搶失敗，進(jìn)入acquireRead()爭(zhēng)搶或者等待 
            next : acquireRead(false, 0L)); 
} 

acquireRead()的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜，大體上分為這么幾步：

總之，就是自旋，自旋再自旋，通過(guò)不斷的自旋來(lái)盡可能避免線程被真的掛起，只有當(dāng)自旋充分失敗后，才會(huì)真正讓線程去等待。

下面是釋放讀鎖的過(guò)程：

StampedLock悲觀讀占滿CPU的問(wèn)題

StampedLock固然是個(gè)好東西，但是由于它特別復(fù)雜，難免也會(huì)出現(xiàn)一些小問(wèn)題。下面這個(gè)例子，就演示了StampedLock悲觀鎖瘋狂占用CPU的問(wèn)題：

public class StampedLockTest { 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        final StampedLock lock = new StampedLock(); 
        Thread t1 = new Thread(() -> { 
            // 獲取寫(xiě)鎖 
            lock.writeLock(); 
            // 模擬程序阻塞等待其他資源 
            LockSupport.park(); 
        }); 
        t1.start(); 
        // 保證t1獲取寫(xiě)鎖 
        Thread.sleep(100); 
        Thread t2 = new Thread(() -> { 
            // 阻塞在悲觀讀鎖 
            lock.readLock(); 
        }); 
        t2.start(); 
        // 保證t2阻塞在讀鎖 
        Thread.sleep(100); 
        // 中斷線程t2,會(huì)導(dǎo)致線程t2所在CPU飆升 
        t2.interrupt(); 
        t2.join(); 
    } 
} 

上述代碼中，在中斷t2后，t2的CPU占用率就會(huì)沾滿100%。而這時(shí)候，t2正阻塞在readLock()函數(shù)上，換言之，在受到中斷后，StampedLock的讀鎖有可能會(huì)占滿CPU。這是什么原因呢?機(jī)制的小傻瓜一定想到了，這是因?yàn)镾tampedLock內(nèi)太多的自旋引起的!沒(méi)錯(cuò)，你的猜測(cè)是正確的。

具體原因如下：

如果沒(méi)有中斷，那么阻塞在readLock()上的線程在經(jīng)過(guò)幾次自旋后，會(huì)進(jìn)入park()等待，一旦進(jìn)入park()等待，就不會(huì)占用CPU了。但是park()這個(gè)函數(shù)有一個(gè)特點(diǎn)，就是一旦線程被中斷，park()就會(huì)立即返回，返回還不算，它也不給你拋點(diǎn)異常啥的，那這就尷尬了。本來(lái)呢，你是想在鎖準(zhǔn)備好的時(shí)候，unpark()的線程的，但是現(xiàn)在鎖沒(méi)好，你直接中斷了，park()也返回了，但是，畢竟鎖沒(méi)好，所以就又去自旋了。

轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著，又轉(zhuǎn)到了park()函數(shù)，但悲催的是，線程的中斷標(biāo)記一直打開(kāi)著，park()就阻塞不住了，于是乎，下一個(gè)自旋又開(kāi)始了，沒(méi)完沒(méi)了的自旋停不下來(lái)了，所以CPU就爆滿了。

要解決這個(gè)問(wèn)題，本質(zhì)上需要在StampedLock內(nèi)部，在park()返回時(shí)，需要判斷中斷標(biāo)記為，并作出正確的處理，比如，退出，拋異常，或者把中斷位給清理一下，都可以解決問(wèn)題。

但很不幸，至少在JDK8里，還沒(méi)有這樣的處理。因此就出現(xiàn)了上面的，中斷readLock()后，CPU爆滿的問(wèn)題。請(qǐng)大家一定要注意。

寫(xiě)在最后

今天，我們比較仔細(xì)地介紹了StampedLock的使用和主要實(shí)現(xiàn)思想，StampedLock是一種重入鎖和讀寫(xiě)鎖的重要補(bǔ)充。

它提供了一種樂(lè)觀鎖的策略，是一種與眾不同的鎖實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然了，就編程難度而言，StampedLock會(huì)比重入鎖和讀寫(xiě)鎖稍微繁瑣一點(diǎn)，但帶來(lái)的卻是性能的成倍提升。

這里給大家提一些小意見(jiàn)，如果我們的應(yīng)用線程數(shù)量可控，并且不多，競(jìng)爭(zhēng)不太激烈，那么就可以直接使用簡(jiǎn)單的synchronized,重入鎖，讀寫(xiě)鎖就好了;如果應(yīng)用線程數(shù)量多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，并且對(duì)性能敏感，那么還是需要我們勞神費(fèi)力，用一下比較復(fù)雜的StampedLock，來(lái)提高一下程序的吞吐量。

使用StampedLock還需要特別注意兩點(diǎn)：第一StampedLock不是可重入的，千萬(wàn)不要單線程自己和自己搞死鎖了，第二，StampedLock沒(méi)有等待/通知機(jī)制，如果一定需要這個(gè)功能的話，也只能繞行啦!

我是敖丙，你知道的越多，不知道的越多，我們下期見(jiàn)。