精通Java并发：揭秘StampedLock的高效应用与实战技巧

实现原理

StampedLock 是 Java 8 引入的一种新的锁机制，旨在读多写少的场景下提供更高的并发性能。其核心在于使用一个 64 位的 long 类型变量来维护锁的状态，该状态不仅表示锁是否被持有，还包含了一个版本号（stamp），用于支持乐观读锁。

1. 锁状态：
   • StampedLock 使用一个名为 state 的 long 类型变量来存储锁的状态。
   • 这个状态包含了锁的类型（读锁、写锁）和版本号等信息。
2. 乐观读锁：
   • 当线程尝试获取乐观读锁时，StampedLock 会检查当前是否有写锁被持有。
   • 如果没有写锁被持有，它会返回一个 stamp（当前状态的一个快照），并允许读操作继续，而不会阻塞其他读线程或写线程。
   • 但需要注意的是，乐观读锁并不能保证数据的一致性。因此，在读取数据后，需要使用 validate(stamp) 方法来验证数据在读取期间是否被修改过。
3. 悲观读锁：
   • 与乐观读锁不同，悲观读锁会阻塞其他写线程的访问，以保证数据的一致性。
   • 当线程尝试获取悲观读锁时，StampedLock 会检查是否有其他写线程持有锁或正在等待锁。
   • 如果没有，它会授予锁并返回一个 stamp。
4. 写锁：
   • 写锁是独占的，意味着同一时间只能有一个线程持有写锁。
   • 当线程尝试获取写锁时，StampedLock 会检查是否有其他读锁或写锁被持有。
   • 如果有，线程将被阻塞直到锁被释放。
5. 可重入性与锁转换：
   • StampedLock 支持锁的可重入性，即一个线程可以多次获得同一个锁而不会导致死锁。
   • StampedLock 还允许线程将乐观读锁转换为悲观读锁或写锁，或将悲观读锁转换为写锁，前提是在转换过程中没有其他线程获得相应的锁。

最佳实践

1. 合理使用锁模式：
   • 在写操作时，应使用写锁。
   • 在读操作时，优先使用乐观读锁以提高并发性能。如果数据一致性要求非常高，或者乐观读锁验证失败，则可以使用悲观读锁。
2. 实现超时机制：
   • 在获取锁时，可以使用带超时的方法（如 tryWriteLock(long timeout, TimeUnit unit)），以避免线程长时间等待锁而导致性能问题。
3. 避免死锁：
   • 由于 StampedLock 不支持重入锁的可重入性（注：这里存在争议，因为有些资料指出 StampedLock 支持可重入性，但使用时仍需谨慎），因此应避免在同一个线程中多次获取同一个锁。
   • 如果需要在同一个线程中多次获取锁，应考虑使用其他锁机制（如 ReentrantLock）。
4. 中断处理：
   • 在使用可中断的锁获取方法时（如 writeLockInterruptibly()），应正确处理中断异常，以避免线程中断后导致资源泄露或不一致状态。
5. 性能考虑：
   • StampedLock 在读多写少的场景下性能优异，因为它减少了线程切换和锁竞争。
   • 但如果写操作非常频繁，或者数据一致性要求非常高，那么可能需要考虑使用其他的锁机制（如 ReentrantLock 或 ReentrantReadWriteLock）。
6. 代码示例：

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class StampedLockExample {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int sharedData = 0;
    // 使用乐观读锁读取共享数据
    public int getSharedDataWithOptimisticReadLock() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int currentData = sharedData;
        if (!stampedLock.validate(stamp)) {
            // 乐观读锁验证失败，使用悲观读锁重新读取
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                currentData = sharedData;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentData;
    }
    // 使用写锁更新共享数据
    public void updateSharedDataWithWriteLock(int newData) {
        long writeStamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            sharedData = newData;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(writeStamp);
        }
    }
    // 使用带超时的写锁获取方法
    public boolean tryUpdateSharedDataWithWriteLock(int newData, long timeout, TimeUnit unit) {
        long stamp = stampedLock.tryWriteLock(timeout, unit);
        if (stamp == 0) {
            return false; // 获取锁超时
        }
        try {
            sharedData = newData;
            return true;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class StampedLockExample {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int sharedData = 0;

    // 使用乐观读锁读取共享数据
    public int getSharedDataWithOptimisticReadLock() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int currentData = sharedData;
        if (!stampedLock.validate(stamp)) {
            // 乐观读锁验证失败，使用悲观读锁重新读取
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                currentData = sharedData;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentData;
    }

    // 使用写锁更新共享数据
    public void updateSharedDataWithWriteLock(int newData) {
        long writeStamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            sharedData = newData;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(writeStamp);
        }
    }

    // 使用带超时的写锁获取方法
    public boolean tryUpdateSharedDataWithWriteLock(int newData, long timeout, TimeUnit unit) {
        long stamp = stampedLock.tryWriteLock(timeout, unit);
        if (stamp == 0) {
            return false; // 获取锁超时
        }
        try {
            sharedData = newData;
            return true;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class StampedLockExample {
    private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
    private int sharedData = 0;

    // 使用乐观读锁读取共享数据
    public int getSharedDataWithOptimisticReadLock() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int currentData = sharedData;
        if (!stampedLock.validate(stamp)) {
            // 乐观读锁验证失败，使用悲观读锁重新读取
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                currentData = sharedData;
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return currentData;
    }

    // 使用写锁更新共享数据
    public void updateSharedDataWithWriteLock(int newData) {
        long writeStamp = stampedLock.writeLock();
        try {
            sharedData = newData;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(writeStamp);
        }
    }

    // 使用带超时的写锁获取方法
    public boolean tryUpdateSharedDataWithWriteLock(int newData, long timeout, TimeUnit unit) {
        long stamp = stampedLock.tryWriteLock(timeout, unit);
        if (stamp == 0) {
            return false; // 获取锁超时
        }
        try {
            sharedData = newData;
            return true;
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
    }
}

以上代码示例展示了如何使用 StampedLock 的乐观读锁、悲观读锁和写锁，以及如何实现带超时的写锁获取方法。