ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

Jin大约 9 分钟

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁

1、ReentrantReadWriteLock

读写锁说明

一个资源能够被多个读线程访问，或者被一个写线程访问，但是不能同时存在读写线程。

『读写锁』意义和特点

『读写锁ReentrantReadWriteLock』并不是真正意义上的读写分离，它只允许读读共存，而读写和写写依然是互斥的，大多实际场景是“读/读”线程间并不存在互斥关系，只有"读/写"线程或"写/写"线程间的操作需要互斥的。因此引入ReentrantReadWriteLock。
一个ReentrantReadWriteLock同时只能存在一个写锁但是可以存在多个读锁，但不能同时存在写锁和读锁(切菜还是拍蒜选一个)。也即一个资源可以被多个读操作访问或一个写操作访问，但两者不能同时进行。
只有在读多写少情境之下，读写锁才具有较高的性能体现。

1.1、特点

可重入
读写分离
无锁无序→加锁→读写锁演变

从写锁→读锁，ReentrantReadWriteLock可以降级

public class ReentrantReadWriteLockDemo {

    Map<String, String> map = new HashMap<>();
    //=====ReentrantLock 等价于 =====synchronized
    Lock lock = new ReentrantLock();
    //=====ReentrantReadWriteLock 一体两面，读写互斥，读读共享
    ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    public void write(String key, String value) {
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "---正在写入");
            map.put(key, value);
            //暂停毫秒
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "---完成写入");
        } finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }

    public void read(String key) {
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "---正在读取");
            String result = map.get(key);
            //后续开启注释修改为2000，演示一体两面，读写互斥，读读共享，读没有完成时候写锁无法获得
            //try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "---完成读取result：" + result);
        } finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }
}

读写锁之读写规矩，再说降级
- 锁的严苛程度变强叫做升级，反之叫做降级
- image-20220821135634529
- 锁降级：将写入锁降级为读锁(类似Linux文件读写权限理解，就像写权限要高于读权限一样)
- 锁降级是为了让当前线程感知到数据的变化，目的是保证数据可见性
- 锁降级：遵循获取写锁→再获取读锁→再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。如果一个线程占有了写锁，在不释放写锁的情况下，它还能占有读锁，即写锁降级为读锁。
- image-20220821140031834
- ItBackendJava8 官网说明
  - image-20220821140118457
- 重入还允许通过获取写入锁定，然后读取锁然后释放写锁从写锁到读取锁, 但是，从读锁定升级到写锁是不可能的。
- ```
public class LockDownGradingDemo {

    /**
     * 锁降级：遵循获取写锁→再获取读锁→再释放写锁的次序，写锁能够降级成为读锁。
     * 如果一个线程占有了写锁，在不释放写锁的情况下，它还能占有读锁，即写锁降级为读锁。
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();

        writeLock.lock();
        System.out.println("-------正在写入");

        readLock.lock();
        System.out.println("-------正在读取");

        writeLock.unlock();
    }
}
```
- 如果有线程在读，那么写线程是无法获取写锁的，是悲观锁的策略，线程获取读锁是不能直接升级为写入锁的。
- image-20220821141214243
- 在ReentrantReadWriteLock中，当读锁被使用时，如果有线程尝试获取写锁，该写线程会被阻塞。所以，需要释放所有读锁，才可获取写锁。
- image-20220821141236826
写锁和读锁是互斥的
写锁和读锁是互斥的（这里的互斥是指线程间的互斥，当前线程可以获取到写锁又获取到读锁，但是获取到了读锁不能继续获取写锁），这是因为读写锁要保持写操作的可见性。因为，如果允许读锁在被获取的情况下对写锁的获取，那么正在运行的其他读线程无法感知到当前写线程的操作。
因此，分析读写锁ReentrantReadWriteLock，会发现它有个潜在的问题：读锁全完，写锁有望；写锁独占，读写全堵；如果有线程正在读，写线程需要等待读线程释放锁后才能获取写锁 即ReadWriteLock读的过程中不允许写，只有等待线程都释放了读锁，当前线程才能获取写锁，也就是写入必须等待，这是一种悲观的读锁，o(╥﹏╥)o，人家还在读着那，你先别去写，省的数据乱。
分析StampedLock(后面详细讲解)，会发现它改进之处在于：读的过程中也允许获取写锁介入(相当牛B，读和写两个操作也让你“共享”(注意引号))，这样会导致我们读的数据就可能不一致！所以，需要额外的方法来判断读的过程中是否有写入，这是一种乐观的读锁，O(∩_∩)O哈哈~。显然乐观锁的并发效率更高，但一旦有小概率的写入导致读取的数据不一致，需要能检测出来，再读一遍就行。
Oracle公司ReentrantWriteReadLock源码总结
image-20220821141648277

代码中声明了一个volatile类型的cacheValid变量，保证其可见性。
首先获取读锁，如果cache不可用，则释放读锁，获取写锁，在更改数据之前，再检查一次cacheValid的值，然后修改数据，将cacheValid置为true，然后在释放写锁前获取读锁；此时，cache中数据可用，处理cache中数据，最后释放读锁。这个过程就是一个完整的锁降级的过程，目的是保证数据可见性。
如果违背锁降级的步骤如果当前的线程C在修改完cache中的数据后，没有获取读锁而是直接释放了写锁，那么假设此时另一个线程D获取了写锁并修改了数据，那么C线程无法感知到数据已被修改，则数据出现错误。
如果遵循锁降级的步骤线程C在释放写锁之前获取读锁，那么线程D在获取写锁时将被阻塞，直到线程C完成数据处理过程，释放读锁。这样可以保证返回的数据是这次更新的数据，该机制是专门为了缓存设计的。

2、邮戳锁StampedLock

无锁→独占锁→读写锁→邮戳锁

StampedLock是JDK1.8中新增的一个读写锁，也是对JDK1.5中的读写锁ReentrantReadWriteLock的优化。
邮戳锁也叫票据锁
stamp（戳记，long类型）
代表了锁的状态。当stamp返回零时，表示线程获取锁失败。并且，当释放锁或者转换锁的时候，都要传入最初获取的stamp值。

2.1、锁饥饿问题

ReentrantReadWriteLock实现了读写分离，但是一旦读操作比较多的时候，想要获取写锁就变得比较困难了，
假如当前1000个线程，999个读，1个写，有可能999个读取线程长时间抢到了锁，那1个写线程就悲剧了
因为当前有可能会一直存在读锁，而无法获得写锁，根本没机会写，o(╥﹏╥)o

如何缓解锁饥饿问题？

使用公平策略可以一定程度上缓解这个问题
- ```
new ReentrantReadWriteLock(true);
```
但是“公平”策略是以牺牲系统吞吐量为代价的

StampedLock类的乐观读锁闪亮登场

ReentrantReadWriteLock 允许多个线程同时读，但是只允许一个线程写，在线程获取到写锁的时候，其他写操作和读操作都会处于阻塞状态，读锁和写锁也是互斥的，所以在读的时候是不允许写的，读写锁比传统的synchronized速度要快很多，原因就是在于ReentrantReadWriteLock支持读并发
StampedLock横空出世 ReentrantReadWriteLock的读锁被占用的时候，其他线程尝试获取写锁的时候会被阻塞。但是，StampedLock采取乐观获取锁后，其他线程尝试获取写锁时不会被阻塞，这其实是对读锁的优化所以，在获取乐观读锁后，还需要对结果进行校验。

2.2、StampedLock的特点

所有获取锁的方法，都返回一个邮戳（Stamp），Stamp为零表示获取失败，其余都表示成功；
所有释放锁的方法，都需要一个邮戳（Stamp），这个Stamp必须是和成功获取锁时得到的Stamp一致；
StampedLock是不可重入的，危险(如果一个线程已经持有了写锁，再去获取写锁的话就会造成死锁)
StampedLock有三种访问模式
- ①Reading（读模式）：功能和ReentrantReadWriteLock的读锁类似
- ②Writing（写模式）：功能和ReentrantReadWriteLock的写锁类似
- ③Optimistic reading（乐观读模式）：无锁机制，类似于数据库中的乐观锁，支持读写并发，很乐观认为读取时没人修改，假如被修改再实现升级为悲观读模式

乐观读模式code演示

public class StampedLockDemo {

    static int number = 37;
    static StampedLock stampedLock = new StampedLock();

    public void write() {
        long stamp = stampedLock.writeLock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "=====写线程准备修改");
        try {
            number = number + 13;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            stampedLock.unlockWrite(stamp);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + "=====写线程结束修改");
    }

    //悲观读
    public void read() {
        long stamp = stampedLock.readLock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in readlock block,4 seconds continue...");
        //暂停几秒钟线程
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取中......");
        }
        try {
            int result = number;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t" + " 获得成员变量值result：" + result);
            System.out.println("写线程没有修改值，因为 stampedLock.readLock()读的时候，不可以写，读写互斥");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            stampedLock.unlockRead(stamp);
        }
    }

    //乐观读
    public void tryOptimisticRead() {
        long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
        int result = number;
        //间隔4秒钟，我们很乐观的认为没有其他线程修改过number值，实际靠判断。
        System.out.println("4秒前stampedLock.validate值(true无修改，false有修改)" + "\t" + stampedLock.validate(stamp));
        for (int i = 1; i <= 4; i++) {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 正在读取中......" + i +
                    "秒后stampedLock.validate值(true无修改，false有修改)" + "\t"
                    + stampedLock.validate(stamp));
        }
        if (!stampedLock.validate(stamp)) {
            System.out.println("有人动过--------存在写操作！");
            stamp = stampedLock.readLock();
            try {
                System.out.println("从乐观读 升级为 悲观读");
                result = number;
                System.out.println("重新悲观读锁通过获取到的成员变量值result：" + result);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                stampedLock.unlockRead(stamp);
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t finally value: " + result);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StampedLockDemo resource = new StampedLockDemo();

        new Thread(() -> {
            resource.read();
            resource.tryOptimisticRead();
        }, "readThread").start();

        // 2秒钟时乐观读失败，6秒钟乐观读取成功resource.tryOptimisticRead();，修改切换演示
        //try { TimeUnit.SECONDS.sleep(6); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            resource.write();
        }, "writeThread").start();
    }
}

读的过程中也允许获取写锁介入

2.3、StampedLock的缺点

StampedLock 不支持重入，没有Re开头
StampedLock 的悲观读锁和写锁都不支持条件变量（Condition），这个也需要注意。
使用 StampedLock一定不要调用中断操作，即不要调用interrupt() 方法
- 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()

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

# ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

# 1、ReentrantReadWriteLock

# 1.1、特点

# 2、邮戳锁StampedLock

# 2.1、锁饥饿问题

# 2.2、StampedLock的特点

# 2.3、StampedLock的缺点

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock、StampedLock

1、ReentrantReadWriteLock

1.1、特点

2、邮戳锁StampedLock

2.1、锁饥饿问题

2.2、StampedLock的特点

2.3、StampedLock的缺点