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);
}
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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);
  }
}
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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
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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
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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();
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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
......
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StampedLock 写模板：

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