多執行緒系列(十一) -淺析併發讀寫鎖StampedLock

程序员志哥發表於2024-03-04
執行緒

一、摘要

在上一篇文章中，我們講到了使用ReadWriteLock可以解決多執行緒同時讀，但只有一個執行緒能寫的問題。

如果繼續深入的分析ReadWriteLock，從鎖的角度分析，會發現它有一個潛在的問題：如果有執行緒正在讀資料，寫執行緒準備修改資料的時候，需要等待讀執行緒釋放鎖後才能獲取寫鎖，簡單的說就是，讀的過程中不允許寫，這其實是一種悲觀的讀鎖。

為了進一步的提升程式併發執行效率，Java 8 引入了一個新的讀寫鎖：StampedLock。

與ReadWriteLock相比，StampedLock最大的改進點在於：在原先讀寫鎖的基礎上，新增了一種叫樂觀讀的模式。該模式並不會加鎖，因此不會阻塞執行緒，程式會有更高的執行效率。

什麼是樂觀鎖和悲觀鎖呢？

  • 樂觀鎖：就是樂觀的估計讀的過程中大機率不會有寫入，因此被稱為樂觀鎖
  • 悲觀鎖：指的是讀的過程中拒絕有寫入，也就是寫入必須等待

顯然樂觀鎖的併發執行效率會更高，但一旦有資料的寫入導致讀取的資料不一致，需要能檢測出來，再讀一遍就行。

下面我們一起來了解一下StampedLock的用法！

二、StampedLock

StampedLock的使用方式比較簡單，只需要例項化一個StampedLock物件，然後呼叫對應的讀寫方法即可，它有三個核心方法如下！

  • readLock()：表示讀鎖，多個執行緒讀不會阻塞，效果與ReadWriteLock的讀鎖模式類似
  • writeLock()：表示寫鎖，同一時刻有且只有一個寫執行緒能獲取鎖資源，效果與ReadWriteLock的寫鎖模式類似
  • tryOptimisticRead()：表示樂觀讀，並沒有加鎖，它用於非常短的讀操作，允許多個執行緒同時讀

其中readLock()和writeLock()方法，與ReadWriteLock的效果完全一致，在此就不重複演示了。

下面我們來看一個tryOptimisticRead()方法的簡單使用示例。

2.1、tryOptimisticRead 方法

public class CounterDemo {

    private final StampedLock lock = new StampedLock();

    private int count;

    public void write() {
        // 1.獲取寫鎖
        long stamp = lock.writeLock();
        try {
            count++;
            // 方便演示，休眠一下
            sleep(200);
            println("獲得了寫鎖，count:" + count);
        } finally {
            // 2.釋放寫鎖
            lock.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    public int read() {
        // 1.嘗試透過樂觀讀模式讀取資料，非阻塞
        long stamp = lock.tryOptimisticRead();
        // 2.假設x = 0，但是x可能被寫執行緒修改為1
        int x = count;
        // 方便演示，休眠一下
        int millis = new Random().nextInt(500);
        sleep(millis);
        println("透過樂觀讀模式讀取資料，value:" + x + ", 耗時：" + millis);
        // 3.檢查樂觀讀後是否有其他寫鎖發生
        if(!lock.validate(stamp)){
            // 4.如果有，採用悲觀讀鎖，並重新讀取資料到當前執行緒區域性變數
            stamp = lock.readLock();
            try {
                x = count;
                println("樂觀讀後檢查到資料發生變化，獲得了讀鎖，value:" + x);
            } finally{
                // 5.釋放悲觀讀鎖
                lock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        // 6.返回讀取的資料
        return x;
    }


    private void sleep(long millis){
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    private void println(String message){
        String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
        System.out.println(time + " 執行緒：" + Thread.currentThread().getName() + " " + message);
    }
}

public class MyThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CounterDemo counter = new CounterDemo();
        Runnable readRunnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                counter.read();
            }
        };
        Runnable writeRunnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                counter.write();
            }
        };
        // 啟動3個讀執行緒
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(readRunnable).start();
        }
        // 停頓一下
        Thread.sleep(300);
        // 啟動3個寫執行緒
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(writeRunnable).start();
        }
    }
}

看一下執行結果：

2023-10-25 13:47:16:952 執行緒：Thread-0 透過樂觀讀模式讀取資料，value:0, 耗時：19
2023-10-25 13:47:17:050 執行緒：Thread-2 透過樂觀讀模式讀取資料，value:0, 耗時：172
2023-10-25 13:47:17:247 執行緒：Thread-1 透過樂觀讀模式讀取資料，value:0, 耗時：369
2023-10-25 13:47:17:382 執行緒：Thread-3 獲得了寫鎖，count:1
2023-10-25 13:47:17:586 執行緒：Thread-4 獲得了寫鎖，count:2
2023-10-25 13:47:17:788 執行緒：Thread-5 獲得了寫鎖，count:3
2023-10-25 13:47:17:788 執行緒：Thread-1 樂觀讀後檢查到資料發生變化，獲得了讀鎖，value:3

從日誌上可以分析得出，讀執行緒Thread-0和Thread-2在啟動寫執行緒之前就已經執行完，因此沒有進入競爭讀鎖階段；而讀執行緒Thread-1因為在啟動寫執行緒之後才執行完，這個時候檢查到資料發生變化，因此進入讀鎖階段，保證讀取的資料是最新的。

和ReadWriteLock相比，StampedLock寫入資料的加鎖過程基本類似，不同的是讀取資料。

讀取資料大致的過程如下：

  • 1.嘗試透過tryOptimisticRead()方法樂觀讀模式讀取資料，並返回版本號
  • 2.資料讀取完成後，再透過lock.validate()去驗證版本號，如果在讀取過程中沒有寫入，版本號不會變，驗證成功，直接返回結果
  • 3.如果在讀取過程中有寫入，版本號會發生變化，驗證將失敗。在失敗的時候，再透過悲觀讀鎖再次讀取資料，把讀取的最新結果返回

對於讀多寫少的場景，由於寫入的機率不高，程式在絕大部分情況下可以透過樂觀讀獲取資料，極少數情況下使用悲觀讀鎖獲取資料，併發執行效率得到了大大的提升。

樂觀鎖實際用途也非常廣泛，比如資料庫的欄位值修改，我們舉個簡單的例子。

在訂單庫存表上order_store，我們通常會增加了一個數值型版本號欄位version，每次更新order_store這個表庫存資料的時候，都將version欄位加1，同時檢查version的值是否滿足條件。

select id，... ，version
from order_store
where id = 1000

update order_store
set version = version + 1,...
where id = 1000 and version = 1

資料庫的樂觀鎖，就是查詢的時候將version查出來，更新的時候利用version欄位驗證是否一致，如果相等，說明資料沒有被修改，讀取的資料安全；如果不相等，說明資料已經被修改過，讀取的資料不安全，需要重新讀取。

這裡的version就類似於StampedLock的stamp值。

2.2、tryConvertToWriteLock 方法

其次，StampedLock還提供了將悲觀讀鎖升級為寫鎖的功能，對應的核心方法是tryConvertToWriteLock()。

它主要使用在if-then-update的場景，即：程式先採用讀模式，如果讀的資料滿足條件，就返回；如果讀的資料不滿足條件，再嘗試寫。

簡單示例如下：

public int readAndWrite(Integer newCount) {
    // 1.獲取讀鎖，也可以使用樂觀讀
    long stamp = lock.readLock();
    int currentValue = count;
    try {
        // 2.檢查是否讀取資料
        while (Objects.isNull(currentValue)) {
            // 3.如果沒有，嘗試升級寫鎖
            long wl = lock.tryConvertToWriteLock(stamp);
            // 4.不為 0 升級寫鎖成功
            if (wl != 0L) {
                // 重新賦值
                stamp = wl;
                count = newCount;
                currentValue = count;
                break;
            } else {
                // 5.升級失敗，釋放之前加的讀鎖並上寫鎖，透過迴圈再試
                lock.unlockRead(stamp);
                stamp = lock.writeLock();
            }
        }
    } finally {
        // 6.釋放最後加的鎖
        lock.unlock(stamp);
    }
    // 7.返回讀取的資料
    return currentValue;
}

三、小結

總結下來，與ReadWriteLock相比，StampedLock進一步把讀鎖細分為樂觀讀和悲觀讀，能進一步提升了併發執行效率。

好處是非常明顯的，系統效能得到提升，但是代價也不小，主要有以下幾點：

  • 1.程式碼邏輯更加複雜，如果程式設計不當很容易出 bug
  • 2.StampedLock是不可重入鎖，不能在一個執行緒中反覆獲取同一個鎖，如果程式設計不當，很容易出現死鎖
  • 3.如果執行緒阻塞在StampedLock的readLock()或者writeLock()方法上時，此時試圖透過interrupt()方法中斷執行緒，會導致 CPU 飆升。因此，使用 StampedLock一定不要呼叫中斷操作，如果需要支援中斷功能，推薦使用可中斷的讀鎖readLockInterruptibly()或者寫鎖writeLockInterruptibly()方法。

最後，在實際的使用過程中，樂觀讀程式設計模型，推薦可以按照以下固定模板編寫。

public int read() {
    // 1.嘗試透過樂觀讀模式讀取資料，非阻塞
    long stamp = lock.tryOptimisticRead();
    // 2.假設x = 0，但是x可能被寫執行緒修改為1
    int x = count;
    // 3.檢查樂觀讀後是否有其他寫鎖發生
    if(!lock.validate(stamp)){
        // 4.如果有，採用悲觀讀鎖，並重新讀取資料到當前執行緒區域性變數
        stamp = lock.readLock();
        try {
            x = count;
        } finally{
            // 5.釋放悲觀讀鎖
            lock.unlockRead(stamp);
        }
    }
    // 6.返回讀取的資料
    return x;
}

四、參考

1、https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1309138673991714

2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/257868603

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