乐观锁与悲观锁相关知识

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1、悲观锁

总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别人想拿这个数据就会阻塞知道它拿到锁(共享资源每次只给一个线程使用,其他线程阻塞,用完后再把资源转让给其它线程)。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁、表锁、读锁、写锁等,都是在做操作之前先上锁。java中sychronized和reentrantLock等独占锁就是悲观锁资源的实现。

2、乐观锁

总是假设最好的情况,每次去拿数据的时候就认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型,这样可以提高吞吐量,像数据库提供的类似于write_condition机制,其实都是提供的乐观锁。在java.util.concurrent.atomic包下面的院子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

 

3、两种锁的使用场景

 两种锁,各有优缺点,没有哪种绝对优于另外一种。像乐观锁使用于写比较少的情况下(多读场景),即冲突真的很少发生的时候,这样可以省去了锁的开销,加大了系统的整个吞吐量。但如果是多写的情况,一般会经常产生冲突,这就会导致上层应用会不断的进行retry,反而是降低了性能,所以一般多写的场景下用悲观锁比较合适。

4、乐观锁常见的两种实现方式

 a、版本号机制

一般是在数据表中加上一个数据版本号version字段,标识数据被修改的次数,当数据被修改时,version值加1。当线程A要更新数据值时,在读取数据的同时也会读取version值,在提交更新时,若刚才读取到的version值为当前数据库中的version值相等时才更新,否则重新更新操作,知道更新成功。

举一个简单的例子:假设数据库中的账户信息表中有一个version字段,当前值为1,而当前账户余额字段(balance)为100。

操作1:A此时将其读出(version=1),并从其账户余额中扣除50(100-50=50)。

操作2:操作1的过程中,B也读入次用户信息(version=1),并从其账户余额中扣除20(100-20=80)。

操作3:A完成了修改,将数据版本号加1(version=2),连同账户扣除后余额(balance=50),提交数据库更新,此时由于提交数据版本大于数据库记录当前版本,数据被更新,数据库记录version=2。

操作4:B完成了操作,也将版本号加1(version=2),试图向数据库提交数据(balance=80),但是此时对比数据库记录版本时发现,操作员B的数据版本号为2,数据库记录当前的版本号也为2,不满足“提交版本必须大于记录当前版本才执行更新”的乐观锁策略。因为操作员B的提交被驳回。

这样,就避免了B用基于version=1的旧数据修改的结果覆盖A的操作结果的可能。

b、CAS算法

即:compare and swap(比较与交换),是一种有名的无锁算法。无锁编程,即不适用锁的情况下实现多线程之间的变量同步,也就是在没有现成被阻塞的情况下实现变量的同步,所以也叫非阻塞同步(non-blocking synchronization).CAS算法涉及到三个操作数:

需要读写的内存值V,进行比较的值A,拟写入的新值B。

当且仅当V的值等于A时,CAS通过原子当时用新值B来更新V的值,否则不会执行任何操作(比较和替换是一个原子操作)。一般情况下是一个自旋操作,即不断的重试。

缺点:

1、ABA问题

 如果一个变量初次读取时是A值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值,那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过吗?显然是不能的,因为这段时间可能被改为了B值,然后又改回A值,那CAS就会误认为它从来没有被修改过。

2、循环时间长开销大

自旋CAS(不成功就一直循环执行知道成功)如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。如果jvm能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,pause指令有两个作用,第一它可以延迟流水线指令命令(de-pipiline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是0。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而因为CPU流水线被清空,从而提高CPU的执行效率。

3、只能保证一个共享变量的院子操作

CAS只对单个共享变量有效,当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。但是从JDK1.5开始,提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里进行CAS操作,所以我们可以使用锁或者利用AutomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

 

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