Java 显式锁的高级扩展：ReadWriteLock、StampedLock 与 LockSupport

在前两篇文章中，我们已经深入解析了 Java 内置锁 synchronized 与显式锁 ReentrantLock。
然而在高并发场景下，某些复杂需求仅靠这两种锁还不足以满足：

• 如何在 读多写少 的业务场景下提高并发度？
• 如何在 乐观并发 下减少锁竞争？
• 如何实现 底层线程阻塞/唤醒 的基础设施？

为了解决这些问题，JUC 提供了 ReadWriteLock、StampedLock、LockSupport 等高级锁机制。本文将对它们进行系统性解析。

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一、ReadWriteLock：读写分离的锁机制

1.1 基本概念

ReadWriteLock 是一种 读写分离锁，核心思想是：

• 多个读线程可以并发访问（读共享）；
• 写线程独占锁，写时禁止任何读写操作；
• 读写互斥、写写互斥、读读不互斥。

1.2 实现类：ReentrantReadWriteLock

JUC 提供的主要实现是 ReentrantReadWriteLock：

ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = rwLock.readLock();
Lock writeLock = rwLock.writeLock();

1.3 使用示例

class SafeCache {
    private final Map<String, String> cache = new HashMap<>();
    private final ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock readLock = rwLock.readLock();
    private final Lock writeLock = rwLock.writeLock();

    public String get(String key) {
        readLock.lock();
        try {
            return cache.get(key);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public void put(String key, String value) {
        writeLock.lock();
        try {
            cache.put(key, value);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
}

1.4 特性

• 可重入性：与 ReentrantLock 一样支持可重入。
• 公平性：支持公平/非公平模式。
• 降级：支持从写锁降级为读锁（但不支持读锁升级为写锁）。

1.5 适用场景

• 读多写少，如缓存系统、本地配置读取。
• 不适合写操作频繁的场景，否则读线程会频繁阻塞。

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二、StampedLock：乐观读的锁机制

2.1 背景

虽然 ReentrantReadWriteLock 能解决读多写少问题，但在 读多写极少 的极端场景下，读写互斥仍然会导致性能浪费。
为此 JDK 8 引入了 StampedLock，提供 乐观读（Optimistic Reading）。

2.2 基本用法

StampedLock lock = new StampedLock();

// 乐观读
long stamp = lock.tryOptimisticRead();
int curX = x;
int curY = y;
if (!lock.validate(stamp)) {
    // 乐观读失败，退化为悲观读
    stamp = lock.readLock();
    try {
        curX = x;
        curY = y;
    } finally {
        lock.unlockRead(stamp);
    }
}

2.3 特性

• 乐观读：无锁访问，性能极高，但需要校验。
• 悲观读/写锁：类似 ReentrantReadWriteLock。
• 不可重入：不同于 ReentrantLock，StampedLock 不支持可重入。
• 锁升级/降级：支持写锁降级为读锁。

2.4 适用场景

• 大量只读、极少写操作的应用。
• 对延迟敏感的高并发业务，如金融行情快照、缓存查询。

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三、LockSupport：底层线程阻塞工具

3.1 定义

LockSupport 是 JUC 提供的 基础线程阻塞工具类，为构建各种锁和并发工具提供底层支持。
它比 Object.wait/notify 更灵活，避免了“先通知再等待”的经典问题。

3.2 常用方法

• 阻塞线程：

  LockSupport.park();
  LockSupport.parkNanos(1000000L);
  

• 唤醒线程：

  LockSupport.unpark(thread);
  

3.3 特性

• 许可证模型：每个线程维护一个“许可位”，默认 0。

  • unpark() 设置许可位为 1；
  • park() 消费许可位（若无许可则阻塞）。

• 无条件唤醒丢失：即使先调用 unpark()，再调用 park()，线程也不会阻塞。

3.4 应用场景

• AQS 内部实现（ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 等的基础）。
• 自定义并发控制工具。

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四、三者比较

特性	ReentrantReadWriteLock	StampedLock	LockSupport
读写分离	支持	支持（且有乐观读）	不支持
可重入性	支持	不支持	不涉及锁
乐观锁	不支持	支持	不支持
公平性选择	支持	不支持	不涉及
使用场景	读多写少	读多写极少、延迟敏感	底层工具，构建并发组件基础

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五、工程实践建议

1. 优先选择 ReentrantReadWriteLock

   • 在一般的读多写少场景下，语义清晰，性能稳定。

2. 极致性能选择 StampedLock

   • 在读远大于写、对延迟极度敏感的场景下使用。
   • 注意其不可重入特性，使用时要小心避免死锁。

3. LockSupport 不直接用于业务代码

   • 它是底层工具类，适合用于实现自定义同步器。
   • 在业务开发中，尽量使用上层 API（如 ReentrantLock、Semaphore）。

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六、总结

• ReentrantReadWriteLock：读写分离，适合常见的读多写少场景。
• StampedLock：引入乐观读机制，在读极多写极少场景下性能更佳。
• LockSupport：并发工具的底层基石，用于构建更复杂的同步器。

至此，Java 锁机制的主流体系已经完整覆盖：

• synchronized —— 内置锁，语义清晰，现代 JDK 已优化。
• ReentrantLock —— 显式锁，灵活可控。
• ReentrantReadWriteLock —— 读写分离，提升读性能。
• StampedLock —— 乐观读，适合高读低写。
• LockSupport —— 低层支撑，构建并发工具的基础。

一句话总结：
Java 的锁体系是一座分层架构，从基础的互斥语义到高阶的并发优化，再到底层的线程阻塞原语，构成了完整的并发编程工具链。