Java利用StampedLock实现读写锁的方法详解

2022-11-13 18:11:26 读写 利用 详解

概述

想到读写,大家第一时间想到的可能是ReentrantReadWriteLock。实际上,在jdk8以后,java提供了一个性能更优越的读写锁并发StampedLock,该类的设计初衷是作为一个内部工具类,用于辅助开发其它线程安全组件,用得好,该类可以提升系统性能,用不好,容易产生死锁和其它莫名其妙的问题。本文主要和大家一起学习StampedLock的功能和使用。

StampedLock介绍

StampedLock的状态由版本和模式组成。锁获取方法返回一个戳,该戳表示并控制对锁状态的访问。StampedLock提供了3种模式控制访问锁:

1.写模式

获取写锁,它是独占的,当锁处于写模式时,无法获得读锁,所有乐观读验证都将失败。

  • writeLock(): 阻塞等待独占获取锁,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • tryWriteLock():尝试获取一个写锁,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • long tryWriteLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个独占写锁,可以等待一段事件,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • long writeLockInterruptibly(): 试获取一个独占写锁,可以被中断,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • unlockWrite(long stamp):释放独占写锁,传入之前获取的戳。
  • tryUnlockWrite():如果持有写锁,则释放该锁,而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。
long stamp = lock.writeLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockWrite(stamp);
}

2.读模式

悲观的方式后去非独占读锁。

  • readLock(): 阻塞等待获取非独占的读锁,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • tryReadLock():尝试获取一个读锁,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • long tryReadLock(long time, TimeUnit unit): 尝试获取一个读锁,可以等待一段事件,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • long readLockInterruptibly(): 阻塞等待获取非独占的读锁,可以被中断,返回一个戳, 如果是0表示获取失败。
  • unlockRead(long stamp):释放非独占的读锁,传入之前获取的戳。
  • tryUnlockRead():如果读锁被持有,则释放一次持有,而不需要戳值。这种方法可能对错误后的恢复很有用。
long stamp = lock.readLock();
try {
    ....
} finally {
    lock.unlockRead(stamp);	    
}

3.乐观读模式

乐观读也就是若读的操作很多,写的操作很少的情况下,你可以乐观地认为,写入与读取同时发生几率很少,因此不悲观地使用完全的读取锁定,程序可以查看读取资料之后,是否遭到写入执行的变更,再采取后续的措施(重新读取变更信息,或者抛出异常) ,这一个小小改进,可大幅度提高程序的吞吐量。

StampedLock 支持 tryOptimisticRead() 方法,读取完毕后做一次戳校验,如果校验通过,表示这期间没有其他线程的写操作,数据可以安全使用,如果校验没通过,需要重新获取读锁,保证数据一致性。

  • tryOptimisticRead(): 返回稍后可以验证的戳记,如果独占锁定则返回零。
  • boolean validate(long stamp): 如果自给定戳记发行以来锁还没有被独占获取,则返回true。
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
// 验戳
if(!lock.validate(stamp)){
	// 锁升级
}

此外,StampedLock 提供了api实现上面3种方式进行转换:

long tryConvertToWriteLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配,则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁,则返回它。或者,如果是读锁,如果写锁可用,则释放读锁并返回写戳记。或者,如果是乐观读,则仅在立即可用时返回写戳记。该方法在所有其他情况下返回零

long tryConvertToReadLock(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配,则执行以下操作之一。如果戳记表示持有写锁,则释放它并获得读锁。或者,如果是读锁,返回它。或者,如果是乐观读,则仅在立即可用时才获得读锁并返回读戳记。该方法在所有其他情况下返回零。

long tryConvertToOptimisticRead(long stamp)

如果锁状态与给定的戳记匹配,那么如果戳记表示持有锁,则释放它并返回一个观察戳记。或者,如果是乐观读,则在验证后返回它。该方法在所有其他情况下返回0,因此作为“tryUnlock”的形式可能很有用。

演示例子

下面用一个例子演示下StampedLock的使用,例子来源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 {
        //涉及对共享资源的修改,使用写锁-独占操作
        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");
        }
    }

    
    double distanceFromOrigin() throws InterruptedException {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();    // 使用乐观读锁
        log.info("tryOptimisticRead lock success");
        // 睡一秒中
        Thread.sleep(1000);
        double currentX = x, currentY = y;      // 拷贝共享资源到本地方法栈中
        if (!sl.validate(stamp)) {              // 如果有写锁被占用,可能造成数据不一致,所以要切换到普通读锁模式
            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);  //读锁转换为写锁
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                } else {
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

测试用例:

@Test
public void testStamped() throws InterruptedException {
    Point point = new Point();
    point.setX(1);
    point.setY(2);
    // 线程0 执行了乐观读
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        try {
            // 乐观读
            point.distanceFromOrigin();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-0");
    thread0.start();

    Thread.sleep(500);
    // 线程1 执行写锁
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        // 乐观读
        try {
            point.move(3, 4);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "thread-1");
    thread1.start();

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

结果:

性能对比

正是由于StampedLock的乐观读模式,早就StampedLock的高性能和高吞吐量,那么具体的性能提高有多少呢?

下图是和ReadWritLock相比,在一个线程情况下,读速度是其4倍左右,写是1倍。

下图是16个线程情况下,读性能是其几十倍,写性能也是近10倍左右:

下图是吞吐量提高:

那么这样是不是说StampedLock可以全方位的替代ReentrantReadWriteLock, 答案是否定的,StampedLock相对于ReentrantReadWriteLock有下面两个问题:

  • 不支持条件变量Condition
  • 不支持可重入

所以最终选择StampedLock还是ReentrantReadWriteLock,还是要看具体的业务场景。

总结

本文主要讲解了StampedLock的功能和使用,至于原理,StampedLock虽然不像其它锁一样定义了内部类来实现AQS框架,但是StampedLock的基本实现思路还是利用CLH队列进行线程的管理,通过同步状态值来表示锁的状态和类型,具体的源码实现大家感兴趣的自己可以追踪看看。

以上就是Java利用StampedLock实现读写锁的方法详解的详细内容,更多关于Java StampedLock读写锁的资料请关注其它相关文章!

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