讀寫鎖 StampedLock

1. 前言

本節帶領大家認識第二個常用的 Java 并發鎖工具之 StampedLock。

本節先簡單介紹 StampedLock 的基本概念，然后介紹關鍵的編程方法，最后通過一個編程例子為大家展示 StampedLock 工具類的用法。

下面我們正式開始介紹吧。

2. 概念解釋

我們先解釋一組概念：悲觀鎖、樂觀鎖。

悲觀鎖 指的是對數據修改持保守態度，在整個數據處理時，先將數據鎖定狀態，然后再進行修改處理。之所以叫做悲觀鎖，是因為這是一種對數據的修改抱有悲觀態度的并發控制方式，認為數據被并發修改的概率比較大，所以需要在修改之前先加鎖。

樂觀鎖 正好相反，抱著數據訪問一般情況下不會造成沖突的觀點，先對數據做修改，在正式提交修改結果是才會做沖突檢查，如果發現修改的是舊版本的數據，則返回修改失敗，否則提交修改。

StampedLock 是對 ReentrantReadWriteLock 的改進。相比 ReentrantReadWriteLock 采用了悲觀鎖的思想對數據修改的并發控制，StampedLock 使用了樂觀思想的加鎖實現，具有更高的并發性。

下面我們學習其關鍵的編程方法。

3. StampedLock 的編程方法

StampedLock 提供了三種并發控制模式，介紹這三種模式過程中，我們穿插介紹關鍵的編程方法。

3.1. 獨占寫模式

功能和 ReentrantReadWriteLock 的寫鎖類似。獨占寫模式相關的幾個方法如下。

long stamp = writeLock () 方法：獲取獨占寫鎖，可能會被阻塞。如果獲取鎖成功則返回一個 stamp；
tryWriteLock () 方法：嘗試獲取獨占寫鎖，類似 writeLock () 方法，只是獲取不到時立刻返回不會阻塞；
tryWriteLock (long time, TimeUnit unit) 方法：允許在給定的時間內嘗試獲取獨占寫鎖，超時仍然未獲取到時則返回；
writeLockInterruptibly () 方法：類似 writeLock () 但允許獲取鎖的過程被打斷；
unlockWrite (long stamp) 方法：用于釋放獨占寫鎖；
tryUnlockWrite () 方法：類似 unlockWrite (), 但允許不需要 stamp 郵戳參數。

3.2. 悲觀讀模式

功能和 ReentrantReadWriteLock 的讀鎖類似。悲觀讀模式相關的幾個方法如下。

long stamp = readLock () 方法：獲取獨占讀鎖，可能會被阻塞。如果獲取鎖成功則返回一個 stamp；
unlockRead (long stamp) 方法：用于釋放讀鎖；
tryReadLock () 方法：嘗試獲取讀鎖，類似 readLock () 方法，只是獲取不到時立刻返回不會阻塞；
tryReadLock (long time, TimeUnit unit) 方法：允許在給定的時間內嘗試獲取讀鎖，超時仍然未獲取到時則返回；
readLockInterruptibly () 方法：類似 readLock () 但允許獲取鎖的過程被打斷。

3.3. 樂觀讀模式

這是一種優化的讀模式。樂觀讀模式相關的幾個方法如下。

tryOptimisticRead () 方法：非阻塞嘗試樂觀獲取讀鎖，只有當寫鎖沒有被獲取時返回一個非 0 的 stamp 。樂觀讀取模式適用于短時間讀取操作，降低競爭和提高吞吐量。在使用時一般需將數據存儲到一個副本中，在后繼處理中用于對比數據是否是最新狀態；
validate (long stamp) 方法：用于檢查在獲取到讀鎖 stamp 后，鎖有沒被其他寫線程搶占。如果寫鎖沒有被獲取，那么 validate () 方法返回 true?？啥啻握{用驗證這一信息。

另外，此類也提供了一組讀寫鎖之間的轉換方法：

tryConvertToWriteLock (long stamp) 方法：嘗試轉換為寫鎖。轉換條件：
tryConvertToReadLock (long stamp) 方法：嘗試轉換為悲觀讀鎖。
tryConvertToOptimisticRead (long stamp) 方法：嘗試轉換為樂觀讀鎖。

注意此類的編程方法有這樣一個共通特征：
所有獲取鎖的方法，都返回一個郵戳（Stamp），Stamp 為 0 表示獲取失敗，其余都表示成功；
所有釋放鎖的方法，都需要一個郵戳（Stamp），這個 Stamp 必須是和成功獲取鎖時得到的 Stamp 一致；

下面我們舉一個具體的編程例子。

4. 編程示例

上面介紹了核心編程方法，我們給出一個非常簡潔明了的官方例子，切實體會一下 StampedLock 的用法。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockTest {

    // 成員變量
    private double x, y;

    // 鎖實例
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    // 排它鎖-寫鎖（writeLock）
    void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = sl.writeLock();
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    // 一個只讀方法
    // 其中存在樂觀讀鎖到悲觀讀鎖的轉換
    double distanceFromOrigin() {

        // 嘗試獲取樂觀讀鎖
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        // 將全部變量拷貝到方法體棧內
        double currentX = x, currentY = y;
        // 檢查在獲取到讀鎖stamp后，鎖有沒被其他寫線程搶占
        if (!sl.validate(stamp)) {
            // 如果被搶占則獲取一個共享讀鎖（悲觀獲取）
            stamp = sl.readLock();
            try {
                // 將全部變量拷貝到方法體棧內
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                // 釋放共享讀鎖
                sl.unlockRead(stamp);
            }
        }
        // 返回計算結果
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }

    // 獲取讀鎖，并嘗試轉換為寫鎖
    void moveIfAtOrigin(double newX, double newY) {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        try {
            // 如果當前點在原點則移動
            while (x == 0.0 && y == 0.0) {
                // 嘗試將獲取的讀鎖升級為寫鎖
                long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
                // 升級成功，則更新stamp，并設置坐標值，然后退出循環
                if (ws != 0L) {
                    stamp = ws;
                    x = newX;
                    y = newY;
                    break;
                } else {
                    // 讀鎖升級寫鎖失敗則釋放讀鎖，顯示獲取獨占寫鎖，然后循環重試
                    sl.unlockRead(stamp);
                    stamp = sl.writeLock();
                }
            }
        } finally {
            sl.unlock(stamp);
        }
    }
}

注意在使用時，獲取鎖的操作應該放在 try 之前，而釋放鎖的操作需要放在 finally 中，可確保鎖釋放。另外需要注意 StampedLock 具有不可重入性。

5. 小結

本節解釋了 StampedLock 的基本概念和主要的編程方法，且通過一個簡單的例子展示了其用法，更多關于此工具類的概念和原理介紹，可閱讀 “Java 并發原理入門教程” 。希望大家在學習過程中，多思考勤練習，早日掌握之。