18 _ StampedLock：有没有比读写锁更快的锁？

在上一篇文章中，我们介绍了读写锁，学习完之后你应该已经知道“读写锁允许多个线程同时读共享变量，适用于读多写少的场景”。那在读多写少的场景中，还有没有更快的技术方案呢？还真有，Java在1.8这个版本里，提供了一种叫StampedLock的锁，它的性能就比读写锁还要好。
下面我们就来介绍一下StampedLock的使用方法、内部工作原理以及在使用过程中需要注意的事项。

StampedLock支持的三种锁模式

我们先来看看在使用上StampedLock和上一篇文章讲的ReadWriteLock有哪些区别。
ReadWriteLock支持两种模式：一种是读锁，一种是写锁。而StampedLock支持三种模式，分别是：写锁、悲观读锁和乐观读。其中，写锁、悲观读锁的语义和ReadWriteLock的写锁、读锁的语义非常类似，允许多个线程同时获取悲观读锁，但是只允许一个线程获取写锁，写锁和悲观读锁是互斥的。不同的是：StampedLock里的写锁和悲观读锁加锁成功之后，都会返回一个stamp；然后解锁的时候，需要传入这个stamp。相关的示例代码如下。

final StampedLock sl = 
  new StampedLock();
// 获取/释放悲观读锁示意代码
long stamp = sl.readLock();
try {
  //省略业务相关代码
} finally {
  sl.unlockRead(stamp);
}
// 获取/释放写锁示意代码
long stamp = sl.writeLock();
try {
  //省略业务相关代码
} finally {
  sl.unlockWrite(stamp);
}

StampedLock的性能之所以比ReadWriteLock还要好，其关键是StampedLock支持乐观读的方式。ReadWriteLock支持多个线程同时读，但是当多个线程同时读的时候，所有的写操作会被阻塞；而StampedLock提供的乐观读，是允许一个线程获取写锁的，也就是说不是所有的写操作都被阻塞。
注意这里，我们用的是“乐观读”这个词，而不是“乐观读锁”，是要提醒你，乐观读这个操作是无锁的，所以相比较ReadWriteLock的读锁，乐观读的性能更好一些。
文中下面这段代码是出自Java SDK官方示例，并略做了修改。在distanceFromOrigin()这个方法中，首先通过调用tryOptimisticRead()获取了一个stamp，这里的tryOptimisticRead()就是我们前面提到的乐观读。之后将共享变量x和y读入方法的局部变量中，不过需要注意的是，由于tryOptimisticRead()是无锁的，所以共享变量x和y读入方法局部变量时，x和y有可能被其他线程修改了。因此最后读完之后，还需要再次验证一下是否存在写操作，这个验证操作是通过调用validate(stamp)来实现的。

class Point {
  private int x, y;
  final StampedLock sl = 
    new StampedLock();
  //计算到原点的距离  
  int distanceFromOrigin() {
    // 乐观读
    long stamp = 
      sl.tryOptimisticRead();
    // 读入局部变量，
    // 读的过程数据可能被修改
    int curX = x, curY = y;
    //判断执行读操作期间，
    //是否存在写操作，如果存在，
    //则sl.validate返回false
    if (!sl.validate(stamp)){
      // 升级为悲观读锁
      stamp = sl.readLock();
      try {
        curX = x;
        curY = y;
      } finally {
        //释放悲观读锁
        sl.unlockRead(stamp);
      }
    }
    return Math.sqrt(
      curX * curX + curY * curY);
  }
}

在上面这个代码示例中，如果执行乐观读操作的期间，存在写操作，会把乐观读升级为悲观读锁。这个做法挺合理的，否则你就需要在一个循环里反复执行乐观读，直到执行乐观读操作的期间没有写操作（只有这样才能保证x和y的正确性和一致性），而循环读会浪费大量的CPU。升级为悲观读锁，代码简练且不易出错，建议你在具体实践时也采用这样的方法。

进一步理解乐观读

如果你曾经用过数据库的乐观锁，可能会发现StampedLock的乐观读和数据库的乐观锁有异曲同工之妙。的确是这样的，就拿我个人来说，我是先接触的数据库里的乐观锁，然后才接触的StampedLock，我就觉得我前期数据库里乐观锁的学习对于后面理解StampedLock的乐观读有很大帮助，所以这里有必要再介绍一下数据库里的乐观锁。
还记得我第一次使用数据库乐观锁的场景是这样的：在ERP的生产模块里，会有多个人通过ERP系统提供的UI同时修改同一条生产订单，那如何保证生产订单数据是并发安全的呢？我采用的方案就是乐观锁。
乐观锁的实现很简单，在生产订单的表 product_doc 里增加了一个数值型版本号字段 version，每次更新product_doc这个表的时候，都将 version 字段加1。生产订单的UI在展示的时候，需要查询数据库，此时将这个 version 字段和其他业务字段一起返回给生产订单UI。假设用户查询的生产订单的id=777，那么SQL语句类似下面这样：

select id，... ，version
from product_doc
where id=777

用户在生产订单UI执行保存操作的时候，后台利用下面的SQL语句更新生产订单，此处我们假设该条生产订单的 version=9。

update product_doc 
set version=version+1，...
where id=777 and version=9

如果这条SQL语句执行成功并且返回的条数等于1，那么说明从生产订单UI执行查询操作到执行保存操作期间，没有其他人修改过这条数据。因为如果这期间其他人修改过这条数据，那么版本号字段一定会大于9。
你会发现数据库里的乐观锁，查询的时候需要把 version 字段查出来，更新的时候要利用 version 字段做验证。这个 version 字段就类似于StampedLock里面的stamp。这样对比着看，相信你会更容易理解StampedLock里乐观读的用法。

StampedLock使用注意事项

对于读多写少的场景StampedLock性能很好，简单的应用场景基本上可以替代ReadWriteLock，但是StampedLock的功能仅仅是ReadWriteLock的子集，在使用的时候，还是有几个地方需要注意一下。
StampedLock在命名上并没有增加Reentrant，想必你已经猜测到StampedLock应该是不可重入的。事实上，的确是这样的，StampedLock不支持重入。这个是在使用中必须要特别注意的。
另外，StampedLock的悲观读锁、写锁都不支持条件变量，这个也需要你注意。
还有一点需要特别注意，那就是：如果线程阻塞在StampedLock的readLock()或者writeLock()上时，此时调用该阻塞线程的interrupt()方法，会导致CPU飙升。例如下面的代码中，线程T1获取写锁之后将自己阻塞，线程T2尝试获取悲观读锁，也会阻塞；如果此时调用线程T2的interrupt()方法来中断线程T2的话，你会发现线程T2所在CPU会飙升到100%。

final StampedLock lock
  = new StampedLock();
Thread T1 = new Thread(()->{
  // 获取写锁
  lock.writeLock();
  // 永远阻塞在此处，不释放写锁
  LockSupport.park();
});
T1.start();
// 保证T1获取写锁
Thread.sleep(100);
Thread T2 = new Thread(()->
  //阻塞在悲观读锁
  lock.readLock()
);
T2.start();
// 保证T2阻塞在读锁
Thread.sleep(100);
//中断线程T2
//会导致线程T2所在CPU飙升
T2.interrupt();
T2.join();

所以，使用StampedLock一定不要调用中断操作，如果需要支持中断功能，一定使用可中断的悲观读锁readLockInterruptibly()和写锁writeLockInterruptibly()。这个规则一定要记清楚。

总结

StampedLock的使用看上去有点复杂，但是如果你能理解乐观锁背后的原理，使用起来还是比较流畅的。建议你认真揣摩Java的官方示例，这个示例基本上就是一个最佳实践。我们把Java官方示例精简后，形成下面的代码模板，建议你在实际工作中尽量按照这个模板来使用StampedLock。
StampedLock读模板：

final StampedLock sl = 
  new StampedLock();

// 乐观读
long stamp = 
  sl.tryOptimisticRead();
// 读入方法局部变量
......
// 校验stamp
if (!sl.validate(stamp)){
  // 升级为悲观读锁
  stamp = sl.readLock();
  try {
    // 读入方法局部变量
    .....
  } finally {
    //释放悲观读锁
    sl.unlockRead(stamp);
  }
}
//使用方法局部变量执行业务操作
......

StampedLock写模板：

long stamp = sl.writeLock();
try {
  // 写共享变量
  ......
} finally {
  sl.unlockWrite(stamp);
}

课后思考

StampedLock支持锁的降级（通过tryConvertToReadLock()方法实现）和升级（通过tryConvertToWriteLock()方法实现），但是建议你要慎重使用。下面的代码也源自Java的官方示例，我仅仅做了一点修改，隐藏了一个Bug，你来看看Bug出在哪里吧。

private double x, y;
final StampedLock sl = new StampedLock();
// 存在问题的方法
void moveIfAtOrigin(double newX, double newY){
 long stamp = sl.readLock();
 try {
  while(x == 0.0 && y == 0.0){
    long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
    if (ws != 0L) {
      x = newX;
      y = newY;
      break;
    } else {
      sl.unlockRead(stamp);
      stamp = sl.writeLock();
    }
  }
 } finally {
  sl.unlock(stamp);
}

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