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Java利用StampedLock實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)鎖的方法詳解

 更新時(shí)間:2022年10月18日 08:59:30   作者:JAVA旭陽(yáng)  
在jdk8以后,java提供了一個(gè)性能更優(yōu)越的讀寫(xiě)鎖并發(fā)類StampedLock,該類的設(shè)計(jì)初衷是作為一個(gè)內(nèi)部工具類,用于輔助開(kāi)發(fā)其它線程安全組件。本文就來(lái)和大家一起學(xué)習(xí)下StampedLock的功能和使用

概述

想到讀寫(xiě)鎖,大家第一時(shí)間想到的可能是ReentrantReadWriteLock。實(shí)際上,在jdk8以后,java提供了一個(gè)性能更優(yōu)越的讀寫(xiě)鎖并發(fā)類StampedLock,該類的設(shè)計(jì)初衷是作為一個(gè)內(nèi)部工具類,用于輔助開(kāi)發(fā)其它線程安全組件,用得好,該類可以提升系統(tǒng)性能,用不好,容易產(chǎn)生死鎖和其它莫名其妙的問(wèn)題。本文主要和大家一起學(xué)習(xí)下StampedLock的功能和使用。

StampedLock介紹

StampedLock的狀態(tài)由版本和模式組成。鎖獲取方法返回一個(gè)戳,該戳表示并控制對(duì)鎖狀態(tài)的訪問(wèn)。StampedLock提供了3種模式控制訪問(wèn)鎖:

1.寫(xiě)模式

獲取寫(xiě)鎖,它是獨(dú)占的,當(dāng)鎖處于寫(xiě)模式時(shí),無(wú)法獲得讀鎖,所有樂(lè)觀讀驗(yàn)證都將失敗。

  • writeLock(): 阻塞等待獨(dú)占獲取鎖,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • tryWriteLock():嘗試獲取一個(gè)寫(xiě)鎖,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • long tryWriteLock(long time, TimeUnit unit): 嘗試獲取一個(gè)獨(dú)占寫(xiě)鎖,可以等待一段事件,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • long writeLockInterruptibly(): 試獲取一個(gè)獨(dú)占寫(xiě)鎖,可以被中斷,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • unlockWrite(long stamp):釋放獨(dú)占寫(xiě)鎖,傳入之前獲取的戳。
  • tryUnlockWrite():如果持有寫(xiě)鎖,則釋放該鎖,而不需要戳值。這種方法可能對(duì)錯(cuò)誤后的恢復(fù)很有用。
long stamp = lock.writeLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockWrite(stamp);
}

2.讀模式

悲觀的方式后去非獨(dú)占讀鎖。

  • readLock(): 阻塞等待獲取非獨(dú)占的讀鎖,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • tryReadLock():嘗試獲取一個(gè)讀鎖,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • long tryReadLock(long time, TimeUnit unit): 嘗試獲取一個(gè)讀鎖,可以等待一段事件,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • long readLockInterruptibly(): 阻塞等待獲取非獨(dú)占的讀鎖,可以被中斷,返回一個(gè)戳, 如果是0表示獲取失敗。
  • unlockRead(long stamp):釋放非獨(dú)占的讀鎖,傳入之前獲取的戳。
  • tryUnlockRead():如果讀鎖被持有,則釋放一次持有,而不需要戳值。這種方法可能對(duì)錯(cuò)誤后的恢復(fù)很有用。
long stamp = lock.readLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockRead(stamp);	    
}

3.樂(lè)觀讀模式

樂(lè)觀讀也就是若讀的操作很多,寫(xiě)的操作很少的情況下,你可以樂(lè)觀地認(rèn)為,寫(xiě)入與讀取同時(shí)發(fā)生幾率很少,因此不悲觀地使用完全的讀取鎖定,程序可以查看讀取資料之后,是否遭到寫(xiě)入執(zhí)行的變更,再采取后續(xù)的措施(重新讀取變更信息,或者拋出異常) ,這一個(gè)小小改進(jìn),可大幅度提高程序的吞吐量。

StampedLock 支持 tryOptimisticRead() 方法,讀取完畢后做一次戳校驗(yàn),如果校驗(yàn)通過(guò),表示這期間沒(méi)有其他線程的寫(xiě)操作,數(shù)據(jù)可以安全使用,如果校驗(yàn)沒(méi)通過(guò),需要重新獲取讀鎖,保證數(shù)據(jù)一致性。

  • tryOptimisticRead(): 返回稍后可以驗(yàn)證的戳記,如果獨(dú)占鎖定則返回零。
  • boolean validate(long stamp): 如果自給定戳記發(fā)行以來(lái)鎖還沒(méi)有被獨(dú)占獲取,則返回true。
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 驗(yàn)戳
if(!lock.validate(stamp)){
	// 鎖升級(jí)
}

此外,StampedLock 提供了api實(shí)現(xiàn)上面3種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

long tryConvertToWriteLock(long stamp)

如果鎖狀態(tài)與給定的戳記匹配,則執(zhí)行以下操作之一。如果戳記表示持有寫(xiě)鎖,則返回它?;蛘撸绻亲x鎖,如果寫(xiě)鎖可用,則釋放讀鎖并返回寫(xiě)戳記?;蛘?,如果是樂(lè)觀讀,則僅在立即可用時(shí)返回寫(xiě)戳記。該方法在所有其他情況下返回零

long tryConvertToReadLock(long stamp)

如果鎖狀態(tài)與給定的戳記匹配,則執(zhí)行以下操作之一。如果戳記表示持有寫(xiě)鎖,則釋放它并獲得讀鎖?;蛘撸绻亲x鎖,返回它。或者,如果是樂(lè)觀讀,則僅在立即可用時(shí)才獲得讀鎖并返回讀戳記。該方法在所有其他情況下返回零。

long tryConvertToOptimisticRead(long stamp)

如果鎖狀態(tài)與給定的戳記匹配,那么如果戳記表示持有鎖,則釋放它并返回一個(gè)觀察戳記?;蛘?,如果是樂(lè)觀讀,則在驗(yàn)證后返回它。該方法在所有其他情況下返回0,因此作為“tryUnlock”的形式可能很有用。

演示例子

下面用一個(gè)例子演示下StampedLock的使用,例子來(lái)源jdk中的javadoc。

@Slf4j
@Data
public class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double deltaY) throws InterruptedException {
        //涉及對(duì)共享資源的修改,使用寫(xiě)鎖-獨(dú)占操作
        long stamp = sl.writeLock();
        log.info("writeLock lock success");
        Thread.sleep(500);
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
            log.info("unlock write lock success");
        }
    }

    /**
     * 使用樂(lè)觀讀鎖訪問(wèn)共享資源
     * 注意:樂(lè)觀讀鎖在保證數(shù)據(jù)一致性上需要拷貝一份要操作的變量到方法棧,并且在操作數(shù)據(jù)時(shí)候可能其他寫(xiě)線程已經(jīng)修改了數(shù)據(jù),
     * 而我們操作的是方法棧里面的數(shù)據(jù),也就是一個(gè)快照,所以最多返回的不是最新的數(shù)據(jù),但是一致性還是得到保障的。
     *
     * @return
     */
    double distanceFromOrigin() throws InterruptedException {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();    // 使用樂(lè)觀讀鎖
        log.info("tryOptimisticRead lock success");
        // 睡一秒中
        Thread.sleep(1000);
        double currentX = x, currentY = y;      // 拷貝共享資源到本地方法棧中
        if (!sl.validate(stamp)) {              // 如果有寫(xiě)鎖被占用,可能造成數(shù)據(jù)不一致,所以要切換到普通讀鎖模式
            log.info("validate stamp error");
            stamp = sl.readLock();
            log.info("readLock success");
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
                log.info("unlock read success");
            }
        }
        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);  //讀鎖轉(zhuǎn)換為寫(xiě)鎖
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                } else {
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

測(cè)試用例:

@Test
public void testStamped() throws InterruptedException {
    Point point = new Point();
    point.setX(1);
    point.setY(2);
    // 線程0 執(zhí)行了樂(lè)觀讀
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        try {
            // 樂(lè)觀讀
            point.distanceFromOrigin();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-0");
    thread0.start();

    Thread.sleep(500);
    // 線程1 執(zhí)行寫(xiě)鎖
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        // 樂(lè)觀讀
        try {
            point.move(3, 4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-1");
    thread1.start();

    thread0.join();
    thread1.join();
}

結(jié)果:

性能對(duì)比

正是由于StampedLock的樂(lè)觀讀模式,早就StampedLock的高性能和高吞吐量,那么具體的性能提高有多少呢?

下圖是和ReadWritLock相比,在一個(gè)線程情況下,讀速度是其4倍左右,寫(xiě)是1倍。

下圖是16個(gè)線程情況下,讀性能是其幾十倍,寫(xiě)性能也是近10倍左右:

下圖是吞吐量提高:

那么這樣是不是說(shuō)StampedLock可以全方位的替代ReentrantReadWriteLock, 答案是否定的,StampedLock相對(duì)于ReentrantReadWriteLock有下面兩個(gè)問(wèn)題:

  • 不支持條件變量Condition
  • 不支持可重入

所以最終選擇StampedLock還是ReentrantReadWriteLock,還是要看具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

總結(jié)

本文主要講解了StampedLock的功能和使用,至于原理,StampedLock雖然不像其它鎖一樣定義了內(nèi)部類來(lái)實(shí)現(xiàn)AQS框架,但是StampedLock的基本實(shí)現(xiàn)思路還是利用CLH隊(duì)列進(jìn)行線程的管理,通過(guò)同步狀態(tài)值來(lái)表示鎖的狀態(tài)和類型,具體的源碼實(shí)現(xiàn)大家感興趣的自己可以追蹤看看。

以上就是Java利用StampedLock實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)鎖的方法詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java StampedLock讀寫(xiě)鎖的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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