今天為大家介紹一個(gè)在高并發(fā)環(huán)境下，比讀寫(xiě)鎖性能更高的鎖。可能很多小伙伴都不知道StampedLock是啥，至少我身邊的很多小伙伴都沒(méi)使用過(guò)StampedLock鎖，今天，我們就一起來(lái)聊聊這個(gè)在高并發(fā)環(huán)境下比ReadWriteLock更快的鎖——StampedLock。

什么是StampedLock?

ReadWriteLock鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享變量，但是在讀取共享變量的時(shí)候，不允許另外的線程多共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作，更多的適合于讀多寫(xiě)少的環(huán)境中。那么，在讀多寫(xiě)少的環(huán)境中，有沒(méi)有一種比ReadWriteLock更快的鎖呢？

答案當(dāng)然是有！那就是我們今天要介紹的主角——JDK1.8中新增的StampedLock！沒(méi)錯(cuò)，就是它！

StampedLock與ReadWriteLock相比，在讀的過(guò)程中也允許后面的一個(gè)線程獲取寫(xiě)鎖對(duì)共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作，為了避免讀取的數(shù)據(jù)不一致，使用StampedLock讀取共享變量時(shí)，需要對(duì)共享變量進(jìn)行是否有寫(xiě)入的檢驗(yàn)操作，并且這種讀是一種樂(lè)觀讀。

總之，StampedLock是一種在讀取共享變量的過(guò)程中，允許后面的一個(gè)線程獲取寫(xiě)鎖對(duì)共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作，使用樂(lè)觀讀避免數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，并且在讀多寫(xiě)少的高并發(fā)環(huán)境下，比ReadWriteLock更快的一種鎖。

StampedLock三種鎖模式

這里，我們可以簡(jiǎn)單對(duì)比下StampedLock與ReadWriteLock，ReadWriteLock支持兩種鎖模式：一種是讀鎖，另一種是寫(xiě)鎖，并且ReadWriteLock允許多個(gè)線程同時(shí)讀共享變量，在讀時(shí)，不允許寫(xiě)，在寫(xiě)時(shí)，不允許讀，讀和寫(xiě)是互斥的，所以，ReadWriteLock中的讀鎖，更多的是指悲觀讀鎖。

StampedLock支持三種鎖模式：寫(xiě)鎖、讀鎖（這里的讀鎖指的是悲觀讀鎖）和樂(lè)觀讀（很多資料和書(shū)籍寫(xiě)的是樂(lè)觀讀鎖，這里我個(gè)人覺(jué)得更準(zhǔn)確的是樂(lè)觀讀，為啥呢？我們繼續(xù)往下看啊）。其中，寫(xiě)鎖和讀鎖與ReadWriteLock中的語(yǔ)義類(lèi)似，允許多個(gè)線程同時(shí)獲取讀鎖，但是只允許一個(gè)線程獲取寫(xiě)鎖，寫(xiě)鎖和讀鎖也是互斥的。

另一個(gè)與ReadWriteLock不同的地方在于：StampedLock在獲取讀鎖或者寫(xiě)鎖成功后，都會(huì)返回一個(gè)Long類(lèi)型的變量，之后在釋放鎖時(shí)，需要傳入這個(gè)Long類(lèi)型的變量。例如，下面的偽代碼所示的邏輯演示了StampedLock如何獲取鎖和釋放鎖。

public class StampedLockDemo{
    //創(chuàng)建StampedLock鎖對(duì)象
    public StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    
    //獲取、釋放讀鎖
    public void testGetAndReleaseReadLock(){
        long stamp = stampedLock.readLock();
        try{
            //執(zhí)行獲取讀鎖后的業(yè)務(wù)邏輯
        }finally{
            //釋放鎖
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }
    
    //獲取、釋放寫(xiě)鎖
    public void testGetAndReleaseWriteLock(){
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        try{
            //執(zhí)行獲取寫(xiě)鎖后的業(yè)務(wù)邏輯。
        }finally{
            //釋放鎖
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}

StampedLock支持樂(lè)觀讀，這是它比ReadWriteLock性能要好的關(guān)鍵所在。 ReadWriteLock在讀取共享變量時(shí)，所有對(duì)共享變量的寫(xiě)操作都會(huì)被阻塞。而StampedLock提供的樂(lè)觀讀，在多個(gè)線程讀取共享變量時(shí)，允許一個(gè)線程對(duì)共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作。

我們?cè)賮?lái)看一下JDK官方給出的StampedLock示例，如下所示。

class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
        long stamp = sl.writeLock();
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    double distanceFromOrigin() { // A read-only method
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        double currentX = x, currentY = y;
        if (!sl.validate(stamp)) {
            stamp = sl.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }

    void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) { // upgrade
        // Could instead start with optimistic, not read mode
        long stamp = sl.readLock();
        try {
            while (x == 0.0 && y == 0.0) {
                long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                }
                else {
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

在上述代碼中，如果在執(zhí)行樂(lè)觀讀操作時(shí)，另外的線程對(duì)共享變量進(jìn)行了寫(xiě)操作，則會(huì)把樂(lè)觀讀升級(jí)為悲觀讀鎖，如下代碼片段所示。

double distanceFromOrigin() { // A read-only method
    //樂(lè)觀讀
    long stamp = sl.tryOptimisticRead();
    double currentX = x, currentY = y;
    //判斷是否有線程對(duì)變量進(jìn)行了寫(xiě)操作
    //如果有線程對(duì)共享變量進(jìn)行了寫(xiě)操作
    //則sl.validate(stamp)會(huì)返回false
    if (!sl.validate(stamp)) {
        //將樂(lè)觀讀升級(jí)為悲觀讀鎖
        stamp = sl.readLock();
        try {
            currentX = x;
            currentY = y;
        } finally {
            //釋放悲觀鎖
            sl.unlockRead(stamp);
        }
    }
    return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
}

這種將樂(lè)觀讀升級(jí)為悲觀讀鎖的方式相比一直使用樂(lè)觀讀的方式更加合理，如果不升級(jí)為悲觀讀鎖，則程序會(huì)在一個(gè)循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行樂(lè)觀讀操作，直到樂(lè)觀讀操作期間沒(méi)有線程執(zhí)行寫(xiě)操作，而在循環(huán)中不斷的執(zhí)行樂(lè)觀讀會(huì)消耗大量的CPU資源，升級(jí)為悲觀讀鎖是更加合理的一種方式。

StampedLock實(shí)現(xiàn)思想

StampedLock內(nèi)部是基于CLH鎖實(shí)現(xiàn)的，CLH是一種自旋鎖，能夠保證沒(méi)有“饑餓現(xiàn)象”的發(fā)生，并且能夠保證FIFO（先進(jìn)先出）的服務(wù)順序。

在CLH中，鎖維護(hù)一個(gè)等待線程隊(duì)列，所有申請(qǐng)鎖，但是沒(méi)有成功的線程都會(huì)存入這個(gè)隊(duì)列中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)線程，保存一個(gè)標(biāo)記位(locked)，用于判斷當(dāng)前線程是否已經(jīng)釋放鎖，當(dāng)locked標(biāo)記位為true時(shí)， 表示獲取到鎖，當(dāng)locked標(biāo)記位為false時(shí)，表示成功釋放了鎖。

當(dāng)一個(gè)線程試圖獲得鎖時(shí)，取得等待隊(duì)列的尾部節(jié)點(diǎn)作為其前序節(jié)點(diǎn)，并使用類(lèi)似如下代碼判斷前序節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)成功釋放鎖:

while (pred.locked) {
    //省略操作 
}

只要前序節(jié)點(diǎn)(pred)沒(méi)有釋放鎖，則表示當(dāng)前線程還不能繼續(xù)執(zhí)行，因此會(huì)自旋等待；反之，如果前序線程已經(jīng)釋放鎖，則當(dāng)前線程可以繼續(xù)執(zhí)行。

釋放鎖時(shí)，也遵循這個(gè)邏輯，線程會(huì)將自身節(jié)點(diǎn)的locked位置標(biāo)記為false，后續(xù)等待的線程就能繼續(xù)執(zhí)行了，也就是已經(jīng)釋放了鎖。

StampedLock的實(shí)現(xiàn)思想總體來(lái)說(shuō)，還是比較簡(jiǎn)單的，這里就不展開(kāi)講了。

StampedLock的注意事項(xiàng)

在讀多寫(xiě)少的高并發(fā)環(huán)境下，StampedLock的性能確實(shí)不錯(cuò)，但是它不能夠完全取代ReadWriteLock。在使用的時(shí)候，也需要特別注意以下幾個(gè)方面。

StampedLock不支持重入

沒(méi)錯(cuò)，StampedLock是不支持重入的，也就是說(shuō)，在使用StampedLock時(shí)，不能嵌套使用，這點(diǎn)在使用時(shí)要特別注意。

StampedLock不支持條件變量

第二個(gè)需要注意的是就是StampedLock不支持條件變量，無(wú)論是讀鎖還是寫(xiě)鎖，都不支持條件變量。

StampedLock使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致CPU飆升

這點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)，在使用時(shí)需要特別注意：如果某個(gè)線程阻塞在StampedLock的readLock()或者writeLock()方法上時(shí)，此時(shí)調(diào)用阻塞線程的interrupt()方法中斷線程，會(huì)導(dǎo)致CPU飆升到100%。例如，下面的代碼所示。

public void testStampedLock() throws Exception{
    final StampedLock lock = new StampedLock();
    Thread thread01 = new Thread(()->{
        // 獲取寫(xiě)鎖
        lock.writeLock();
        // 永遠(yuǎn)阻塞在此處，不釋放寫(xiě)鎖
        LockSupport.park();
    });
    thread01.start();
    // 保證thread01獲取寫(xiě)鎖
    Thread.sleep(100);
    Thread thread02 = new Thread(()->
                           //阻塞在悲觀讀鎖
                           lock.readLock()
                          );
    thread02.start();
    // 保證T2阻塞在讀鎖
    Thread.sleep(100);
    //中斷線程thread02
    //會(huì)導(dǎo)致線程thread02所在CPU飆升
    thread02.interrupt();
    thread02.join();
}

運(yùn)行上面的程序，會(huì)導(dǎo)致thread02線程所在的CPU飆升到100%。

這里，有很多小伙伴不太明白為啥LockSupport.park();會(huì)導(dǎo)致thread01會(huì)永遠(yuǎn)阻塞。這里，冰河為你畫(huà)了一張線程的生命周期圖，如下所示。

圖片

這下明白了吧？在線程的生命周期中，有幾個(gè)重要的狀態(tài)需要說(shuō)明一下。

• NEW：初始狀態(tài)，線程被構(gòu)建，但是還沒(méi)有調(diào)用start()方法。
• RUNNABLE：可運(yùn)行狀態(tài)，可運(yùn)行狀態(tài)可以包括：運(yùn)行中狀態(tài)和就緒狀態(tài)。
• BLOCKED：阻塞狀態(tài)，處于這個(gè)狀態(tài)的線程需要等待其他線程釋放鎖或者等待進(jìn)入synchronized。
• WAITING：表示等待狀態(tài)，處于該狀態(tài)的線程需要等待其他線程對(duì)其進(jìn)行通知或中斷等操作，進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。
• TIME_WAITING：超時(shí)等待狀態(tài)。可以在一定的時(shí)間自行返回。
• TERMINATED：終止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)前線程執(zhí)行完畢。

看完這個(gè)線程的生命周期圖，知道為啥調(diào)用LockSupport.park();會(huì)使thread02阻塞了吧？

所以，在使用StampedLock時(shí)，一定要注意避免線程所在的CPU飆升的問(wèn)題。那如何避免呢？

那就是使用StampedLock的readLock()方法或者讀鎖和使用writeLock()方法獲取寫(xiě)鎖時(shí)，一定不要調(diào)用線程的中斷方法來(lái)中斷線程，如果不可避免的要中斷線程的話(huà)，一定要用StampedLock的readLockInterruptibly()方法獲取可中斷的讀鎖和使用StampedLock的writeLockInterruptibly()方法獲取可中斷的悲觀寫(xiě)鎖。

最后，對(duì)于StampedLock的使用，JDK官方給出的StampedLock示例本身就是一個(gè)最佳實(shí)踐了，小伙伴們可以多看看JDK官方給出的StampedLock示例，多多體會(huì)下StampedLock的使用方式和背后原理與核心思想。