Java 全栈知识体系

Java 8 - StampedLock

本文将从synchronized、Lock到Java8新增的StampedLock进行对比分析，相信StampedLock不会让大家失望。@pdai

synchronized

在java5之前，实现同步主要是使用synchronized。它是Java语言的关键字，当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候，能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。

有四种不同的同步块:

实例方法
静态方法
实例方法中的同步块
静态方法中的同步块

大家对此应该不陌生，所以不多讲了，以下是代码示例

synchronized(this)
// do operation
}

小结: 在多线程并发编程中Synchronized一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁，但是随着Java SE1.6对Synchronized进行了各种优化之后，性能上也有所提升。

Lock

rwlock.writeLock().lock();
try {
	// do operation
} finally {
	rwlock.writeLock().unlock();
}

它是Java 5在java.util.concurrent.locks新增的一个API。

Lock是一个接口，核心方法是lock()，unlock()，tryLock()，实现类有ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock.ReadLock, ReentrantReadWriteLock.WriteLock；

ReentrantReadWriteLock, ReentrantLock 和synchronized锁都有相同的内存语义。

与synchronized不同的是，Lock完全用Java写成，在java这个层面是无关JVM实现的。Lock提供更灵活的锁机制，很多synchronized 没有提供的许多特性，比如锁投票，定时锁等候和中断锁等候，但因为lock是通过代码实现的，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中

下面是Lock的一个代码示例

class Point {
   private double x, y;
   private final StampedLock sl = new StampedLock();
   void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
     long stamp = sl.writeLock();
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp);
     }
   }
  	//下面看看乐观读锁案例
   double distanceFromOrigin() { // A read-only method
     long stamp = sl.tryOptimisticRead(); //获得一个乐观读锁
     double currentX = x, currentY = y; //将两个字段读入本地局部变量
     if (!sl.validate(stamp)) { //检查发出乐观读锁后同时是否有其他写锁发生? 
        stamp = sl.readLock(); //如果没有，我们再次获得一个读悲观锁
        try {
          currentX = x; // 将两个字段读入本地局部变量
          currentY = y; // 将两个字段读入本地局部变量
        } finally {
           sl.unlockRead(stamp);
        }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }
	//下面是悲观读锁案例
   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) { //循环，检查当前状态是否符合
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); //将读锁转为写锁
         if (ws != 0L) { //这是确认转为写锁是否成功
           stamp = ws; //如果成功 替换票据
           x = newX; //进行状态改变
           y = newY; //进行状态改变
           break;
         }
         else { //如果不能成功转换为写锁
           sl.unlockRead(stamp); //我们显式释放读锁
           stamp = sl.writeLock(); //显式直接进行写锁 然后再通过循环再试
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp); //释放读锁或写锁
     }
   }
 }

小结: 比synchronized更灵活、更具可伸缩性的锁定机制，但不管怎么说还是synchronized代码要更容易书写些

StampedLock

它是java8在java.util.concurrent.locks新增的一个API。

ReentrantReadWriteLock 在沒有任何读写锁时，才可以取得写入锁，这可用于实现了悲观读取(Pessimistic Reading)，即如果执行中进行读取时，经常可能有另一执行要写入的需求，为了保持同步，ReentrantReadWriteLock 的读取锁定就可派上用场。

然而，如果读取执行情况很多，写入很少的情况下，使用 ReentrantReadWriteLock 可能会使写入线程遭遇饥饿(Starvation)问题，也就是写入线程迟迟无法竞争到锁定而一直处于等待状态。

StampedLock控制锁有三种模式(写，读，乐观读)，一个StampedLock状态是由版本和模式两个部分组成，锁获取方法返回一个数字作为票据stamp，它用相应的锁状态表示并控制访问，数字0表示没有写锁被授权访问。在读锁上分为悲观锁和乐观锁。

所谓的乐观读模式，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！！

下面是java doc提供的StampedLock一个例子

class Point {
   private double x, y;
   private final StampedLock sl = new StampedLock();
   void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
     long stamp = sl.writeLock();
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp);
     }
   }
  //下面看看乐观读锁案例
   double distanceFromOrigin() { // A read-only method
     long stamp = sl.tryOptimisticRead(); //获得一个乐观读锁
     double currentX = x, currentY = y; //将两个字段读入本地局部变量
     if (!sl.validate(stamp)) { //检查发出乐观读锁后同时是否有其他写锁发生? 
        stamp = sl.readLock(); //如果没有，我们再次获得一个读悲观锁
        try {
          currentX = x; // 将两个字段读入本地局部变量
          currentY = y; // 将两个字段读入本地局部变量
        } finally {
           sl.unlockRead(stamp);
        }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }
	//下面是悲观读锁案例
   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) { //循环，检查当前状态是否符合
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp); //将读锁转为写锁
         if (ws != 0L) { //这是确认转为写锁是否成功
           stamp = ws; //如果成功 替换票据
           x = newX; //进行状态改变
           y = newY; //进行状态改变
           break;
         }
         else { //如果不能成功转换为写锁
           sl.unlockRead(stamp); //我们显式释放读锁
           stamp = sl.writeLock(); //显式直接进行写锁 然后再通过循环再试
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp); //释放读锁或写锁
     }
   }
 }

小结:

StampedLock要比ReentrantReadWriteLock更加廉价，也就是消耗比较小。

StampedLock与ReadWriteLock性能对比

是和ReadWritLock相比，在一个线程情况下，是读速度其4倍左右，写是1倍。

下图是六个线程情况下，读性能是其几十倍，写性能也是近10倍左右:

总结

  • synchronized是在JVM层面上实现的，不但可以通过一些监控工具监控synchronized的锁定，而且在代码执行时出现异常，JVM会自动释放锁定；
  • ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock,、StampedLock都是对象层面的锁定，要保证锁定一定会被释放，就必须将unLock()放到finally{}中；
  • StampedLock 对吞吐量有巨大的改进，特别是在读线程越来越多的场景下；
  • StampedLock有一个复杂的API，对于加锁操作，很容易误用其他方法;
  • 当只有少量竞争者的时候，synchronized是一个很好的通用的锁实现;
  • 当线程增长能够预估，ReentrantLock是一个很好的通用的锁实现;

StampedLock 可以说是Lock的一个很好的补充，吞吐量以及性能上的提升足以打动很多人了，但并不是说要替代之前Lock的东西，毕竟他还是有些应用场景的，起码API比StampedLock容易入手。

参考

  • https://wizardforcel.gitbooks.io/java8-tutorials/content/Java%208%20%E5%B9%B6%E5%8F%91%E6%95%99%E7%A8%8B%20Threads%20%E5%92%8C%20Executors.html

  • https://wizardforcel.gitbooks.io/java8-new-features/content/10.html

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