为什么StampedLock会导致CPU100%?

简介: 为什么StampedLock会导致CPU100%?

StampedLock 是 Java 8 引入的一种高级的锁机制,它位于 java.util.concurrent.locks 包中。与传统的读写锁(ReentrantReadWriteLock)相比,StampedLock 提供了更灵活和更高性能的锁解决方案,尤其适用于读操作远多于写操作的场景。

1.特点展示

相比于 Java 中的其他锁,StampedLock 具有以下特点:

  1. 读写分离:StampedLock 支持读写分离,读锁和写锁可以同时被不同的线程持有,从而提高了并发性能。而 synchronized 和 ReentrantLock 则不支持读写分离,读操作和写操作会相互阻塞。
  2. 乐观读:StampedLock 支持乐观读,读操作不会阻塞写操作,只有在写操作发生时才会升级为悲观读。这种方式适用于读多写少的场景,可以提高读操作的并发性能。而 ReentrantReadWriteLock 则不支持乐观读。
  3. 不可重入:ReentrantLock 和 synchronized 都是可重入锁,而 StampedLock 的写锁是不可重入的。
  4. 性能优势:StampedLock 在多线程并发中的读多情况下有更好的性能,因为 StampedLock 获取乐观读锁时,不需要通过 CAS 操作来设置锁的状态,只是简单地通过测试状态即可。

    2.基本使用

    StampedLock 有三种读写方法:

  5. readLock:读锁,用于多线程并发读取共享资源。

  6. writeLock:写锁,用于独占写入共享资源。
  7. tryOptimisticRead:读乐观锁,用于在不阻塞其他线程的情况下尝试读取共享资源。

其中 readLock() 和 writeLock() 方法与 ReentrantReadWriteLock 的用法类似,而 tryOptimisticRead() 方法则是 StampedLock 引入的新方法,它用于非常短的读操作。

因此,我们在加锁时,可以使用性能更高的读乐观锁来替代传统的读锁,如果能加锁成功,则它可以和其他线程(即使是写操作)一起执行,也无需排队运行(传统读锁遇到写锁时需要排队执行),这样的话 StampedLock 的执行效率就会更高,它是使用如下:

// 创建 StampedLock 实例
StampedLock lock = new StampedLock();
// 获取乐观读锁
long stamp = lock.tryOptimisticRead(); 
// 读取共享变量
if (!lock.validate(stamp)) {
    // 检查乐观读锁是否有效
    stamp = lock.readLock(); // 如果乐观读锁无效,则获取悲观读锁
    try {
   
        // 重新读取共享变量
    } finally {
   
        lock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
    }
}

// 获取悲观读锁
long stamp = lock.readLock(); 
try {
   
    // 读取共享变量
} finally {
   
    lock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
}

// 获取写锁
long stamp = lock.writeLock(); 
try {
   
    // 写入共享变量
} finally {
   
    lock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
}

使用乐观读锁的特性可以提高读操作的并发性能,适用于读多写少的场景。如果乐观读锁获取后,在读取共享变量前发生了写入操作,则 validate 方法会返回 false,此时需要转换为悲观读锁或写锁重新访问共享变量。

3.注意事项

在使用 StampedLock 时,需要注意以下几个问题:

  1. 不可重入性:StampedLock 的读锁和写锁都不支持重入,这意味着一个线程在获取了锁之后,不能再次获取同一个锁,所以在使用 StampedLock 时,一定要避免嵌套使用。
  2. 死锁问题:使用 StampedLock 时,必须使用与获取锁时相同的 stamp 来释放锁,否则就会导致释放锁失败,从而导致死锁问题的发生。
  3. CPU 使用率飙升问题:如果 StampedLock 使用不当,具体来说,在 StampedLock 执行 writeLock 或 readLock 阻塞时,如果调用了中断操作,如 interrupt() 可能会导致 CPU 使用率飙升。这是因为线程接收到了中断请求,但 StampedLock 并没有正确处理中断信号,那么线程可能会陷入无限循环中,试图从中断状态中恢复,这可能会导致 CPU 使用率飙升。

    4.CPU 100%问题演示

    以下代码中线程 2 会导致 CPU 100% 的问题,如下代码所示:

    public void runningTask() throws Exception{
         
     final StampedLock lock = new StampedLock();
     Thread thread = new Thread(()->{
         
         // 获取写锁
         lock.writeLock();
         // 永远阻塞在此处,不释放写锁
         LockSupport.park();
     });
     thread.start();
    
     // 保证 thread 获取写锁
     Thread.sleep(100);
     Thread thread2 = new Thread(()->
         // 阻塞在悲观读锁
         lock.readLock()
     );
     thread2.start();
     // 保证 thread2 阻塞在读锁
     Thread.sleep(100);
     // 中断线程 thread2,导致 thread2 CPU 飙升
     thread2.interrupt();
     thread2.join();
    }
    

    以上代码中,线程一先获取到锁,之后阻塞,并未释放锁,而线程二阻塞在 readLock() 读锁时,收到了中断请求 interrupt(),但并未正确处理中断异常,因此线程会陷入无限循环中,试图从中断状态中恢复,这就会导致 CPU 使用率一直飙升。

    课后思考

    如何避免 StampedLock CPU 100% 的问题?

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site,其中包含的内容有:Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

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