什么是 Java 的 StampedLock？

回答

Java 中的 StampedLock 是 java.util.concurrent.locks 包中提供的一种锁机制，引入于 Java 8。它是一种高性能的读写锁改进版本，相比传统的 ReentrantReadWriteLock，增加了乐观读锁的支持，适用于读多写少的场景。以下是详细说明：

定义

• 类名：java.util.concurrent.locks.StampedLock
• 作用：提供读写分离的锁机制，支持三种模式：写锁、读锁和乐观读。
• 核心特性：
  • 非重入锁（不可重入）。
  • 返回戳（stamp）作为锁状态的标识。
  • 提供乐观读机制，减少锁争用开销。

工作原理

• 戳（Stamp）：StampedLock 的每个锁操作返回一个 long 类型的戳，用于标记锁的状态和验证。
  • 戳值在获取锁时生成，释放或验证时使用。
  • 如果锁状态改变（如被写锁占用），戳会失效。
• 三种锁模式：
  1. 写锁（Write Lock）：
     • 独占锁，同一时刻只有一个线程可以持有。
     • 通过 writeLock() 获取。
  2. 读锁（Pessimistic Read Lock）：
     • 共享锁，允许多个线程同时持有，但与写锁互斥。
     • 通过 readLock() 获取。
  3. 乐观读（Optimistic Read）：
     • 无锁读取，假设读期间不会有写操作，通过 tryOptimisticRead() 获取戳，后续验证戳有效性。
• 实现基础：
  • 使用自旋和队列机制（基于 CLH 锁变种），避免直接依赖重量级锁。
  • 内部状态通过 long 变量管理。

主要方法

1. writeLock()
   • 获取写锁，返回戳，阻塞直到锁可用。
2. readLock()
   • 获取悲观读锁，返回戳，阻塞直到锁可用。
3. tryOptimisticRead()
   • 尝试乐观读，返回戳，非阻塞。
4. validate(long stamp)
   • 验证乐观读的戳是否依然有效。
5. unlockWrite(long stamp)
   • 释放写锁，使用获取时的戳。
6. unlockRead(long stamp)
   • 释放读锁，使用获取时的戳。
7. unlock(long stamp)
   • 通用释放方法，适用于读锁或写锁。
8. tryConvertToWriteLock(long stamp)
   • 尝试将读锁或乐观读转换为写锁。

示例代码

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample {
    private double x, y;
    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    // 写操作
    public void move(double deltaX, double deltaY) {
        long stamp = lock.writeLock(); // 获取写锁
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
        }
    }

    // 乐观读操作
    public double distanceFromOrigin() {
        long stamp = lock.tryOptimisticRead(); // 尝试乐观读
        double currentX = x;
        double currentY = y;
        if (!lock.validate(stamp)) { // 验证戳
            stamp = lock.readLock(); // 若失效，获取悲观读锁
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StampedLockExample example = new StampedLockExample();
        example.move(3.0, 4.0);
        System.out.println("Distance: " + example.distanceFromOrigin()); // 输出 5.0
    }
}

使用场景

1. 读多写少的高并发场景：
   • 乐观读减少锁争用，提升性能。
   • 示例：缓存系统、配置数据读取。
2. 需要锁升级的场景：
   • 通过 tryConvertToWriteLock 从读锁升级到写锁。
3. 性能敏感的应用：
   • 替代 ReentrantReadWriteLock，降低读线程间的开销。

与 ReentrantReadWriteLock 的对比

特性	StampedLock	ReentrantReadWriteLock
重入性	非重入	可重入
乐观读	支持	不支持
性能	读多写少时更高	稍逊于 StampedLock
API 复杂性	较复杂（需管理戳）	相对简单
锁降级/升级	支持升级（读→写）	支持降级（写→读）

注意事项

• 非重入：同一个线程不能多次获取同一锁，否则会导致死锁。
• 戳管理：必须正确传递和使用戳，释放时需匹配。
• 异常处理：乐观读验证失败后需回退到悲观读。
• 中断支持：可用 writeLockInterruptibly() 等方法支持中断。

问题分析与知识点联系

“StampedLock”是 Java 并发锁机制的高级工具，与问题列表中的多个知识点相关：

1. Java 中的线程同步
   StampedLock 提供读写分离的同步机制，与 synchronized 和 ReentrantLock 类似但更灵活。

2. Java 中的读写锁
   它是 ReentrantReadWriteLock 的改进版，增加了乐观读支持。

3. Java 使用过哪些并发工具类
   StampedLock 是常用锁工具，与 Semaphore、CountDownLatch 等并列。

4. Synchronized 和 ReentrantLock 的区别
   StampedLock 在某些场景下比两者更高效，尤其是在读多写少时。

5. Java 中的锁优化
   乐观读和戳机制是锁优化的体现，减少不必要的阻塞。

总结来说，StampedLock 是一种高性能的读写锁工具，适用于读多写少的场景。它通过乐观读和戳机制提升并发效率，与传统锁相比提供了更多灵活性，是 Java 并发编程中优化性能的重要选择。