Java Concurrency #7: JUC — 進階的讀寫鎖 StampedLock

比ReadWriteLock高效的讀寫鎖，StampedLock

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文章架構

• StampedLock ＆ ReadWriteLock
• StampedLock 讀鎖的升級
• 總結

StampedLock & ReadWriteLock

為何說StampedLock是進階的讀寫鎖(ReadWriteLock)，回顧ReadWriteLock的介紹，每次要讀或寫的時候都必須上鎖，為了保護讀和寫的資料一致性，但是加鎖是一個重量級的行為(可以看ReadWriteLock背後原始碼做了多少東西才鎖住)，如果應用讀與寫的比例是10000:1，那為每個Read行為加鎖可能就不大理智了，JUC也想到了這點所以也提供了StampedLock的API，將讀鎖在細劃分為樂觀讀與悲觀讀，而寫鎖基本上跟ReadWrtieLock的寫鎖沒有差異，以下是Stamped的使用介紹。

1. 每次上鎖時會回傳一個stamp (不管樂觀讀 / 悲觀讀 / 寫鎖)
2. 結束時需要根據這個stamp去解鎖
3. 樂觀 & 悲觀讀的差異：樂觀讀不會鎖住程式邏輯，但是必須要在操作完驗證stamp確保在操作過程中資料沒被更改 / 而悲觀讀就如同一般的讀鎖，會鎖住程式(寫鎖必須等待讀鎖)

為何效能會優於ReadWirteLock?

1. 針對讀大於寫的邏輯才會真的優於
2. 因為樂觀鎖不會真實上鎖，若是每次讀都避免了上鎖，那速度自然會快過每次都會上鎖的ReadWriteLock讀寫鎖

接下來我們看一段Java 官方的範例程式 (Source)

void move(double deltaX, double deltaY) { // an exclusively locked method
     long stamp = sl.writeLock();
     try {
       x += deltaX;
       y += deltaY;
     } finally {
       sl.unlockWrite(stamp);
     }
   }
   double distanceFromOrigin() { // A read-only method
     long stamp = sl.tryOptimisticRead();
     double currentX = x, currentY = y;
     if (!sl.validate(stamp)) {
       stamp = sl.readLock();
       try {
         currentX = x;
         currentY = y;
       } finally {
         sl.unlockRead(stamp);
       }
     }
     return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
   }

上方式官方的範例程式，用來判斷點的距離與移動點

程式碼重點：

1. 上鎖後都必須接住回傳的long型態stamp
2. tryOpimisticRead就是所謂的樂觀鎖，在操作後必須再次透過StampedLock的validate方法驗證是否有效，若操作時資料被別得Thread修改會回傳false，程式邏輯就必須真實調用悲觀讀鎖(readLock())將邏輯鎖住
3. *注意：tryOpimisticRead不會上鎖，所以不須解鎖

進階: 讀鎖升級成寫鎖

StampedLock與ReadWriteLock的最大差異除了將讀鎖分成樂觀與悲觀之外，StampedLock還幫忙寫了讀鎖替換成寫鎖API(不需要在自己寫釋放和加鎖)，但不一定每次都會成功所以還是需要有個保護機制(寫鎖可能正在被使用)，範例如下 (一樣參考官方範例)

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) {
         long ws = sl.tryConvertToWriteLock(stamp);
         if (ws != 0L) {
           stamp = ws;
           x = newX;
           y = newY;
           break;
         }
         else {
           sl.unlockRead(stamp);
           stamp = sl.writeLock();
         }
       }
     } finally {
       sl.unlock(stamp);
     }
   }

程式重點:

1. 如同程式碼裡的官方註解，因為範例關係所以這裡或許更適合使用樂觀讀
2. 申請讀鎖後，發現目前的邏輯條件必須要有寫入動作，呼叫tryConverToWriteLock(stamp)將鎖升級
3. 切記 / 如果寫鎖正在被佔據的話此方法不會block等待，會直接回傳值，所以必須有個else判斷回傳值是否成工作相對應操作
4. tryConverTowriteLock()方法底層做的事情，如同上面程式碼寫在else的邏輯。

總結

1. StampedLock與ReadWriteLock的差異在於，將讀鎖細分為樂觀讀與悲觀讀
2. 樂觀讀不會上鎖，只是在最後操作結束後需要在比對一次拿樂觀鎖時得到的stamp，確保在讀的時候資料沒有被其他Thread寫入
3. 悲觀讀與寫鎖就如同ReadWriteLock一樣，讀讀相容，讀寫與寫寫互斥
4. 若是在讀操作數量大於寫操作數量時，會優先選擇StampedLock保護同步邏輯
5. 而讀寫差不多時則會選擇ReadWriteLock，因為StampedLock對於ReadWriteLock需要多一些資料的判斷(樂觀讀結束還要在Check一次，如果被改過了就代表樂觀讀的操作是白做的)

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