Java并发编程之乐观锁与悲观锁

为什么需要锁(并发控制)在多用户环境中,在同一时间可能会有多个用户更新相同的记录,这会产生冲突。这就是著名的并发性问题。

典型的冲突有: 
1)丢失更新:一个事务的更新覆盖了其它事务的更新结果,就是所谓的更新丢失。例如:用户A把值从6改为2,用户B把值从2改为6,则用户A丢失了他的更新。

(2)脏读:当一个事务读取其它完成一半事务的记录时,就会发生脏读取。例如:用户A,B看到的值都是6,用户B把值改为2,用户A读到的值仍为6。

悲观锁:所谓悲观锁,顾名思义就是采用一种悲观的态度来对待事务并发问题,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直到它拿到锁。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,表锁等,读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。

Select * from Account where ...(where condition).. for update.

 比如Java里面的同步原语synchronized关键字的实现也是悲观锁

原因:Java在JDK1.5之前都是靠 synchronized关键字保证同步的,这种通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问,可以确保无论哪个线程持有共享变量的锁,都采用独占的方式来访问这些变量。这就是一种独占锁,独占锁其实就是一种悲观锁,所以可以说 synchronized 是悲观锁。

悲观锁机制存在以下问题:  

1. 在多线程竞争下,加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题。

2. 一个线程持有锁会导致其它所有需要此锁的线程挂起。

3. 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置,引起性能风险。

乐观锁:顾名思义,就是很乐观,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,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,时间戳,基于所有属性检测等机制。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。它的基本思想就是每次提交一个事务更新时,我们想看看要修改的东西从上次读取以后有没有被其它事务修改过,如果修改过,那么更新就会失败。因为乐观锁其实并不会锁定任何记录,所以数据库的事务隔离级别设置为读取已提交或者更低的隔离界别,那么是不能避免不可重复读问题的(因为此时读事务不会阻塞其它事务),所以采用乐观锁的时候,系统应该要容许不可重复读问题的出现。

 乐观锁机制简介:

版本(Version)字段:在我们的实体中增加一个版本控制字段,每次事务更新后就将版本字段的值加1.

Update Account set version = version+1.....(another field) 
where version =?...(another contidition)

时间戳(timestamps):采取这种策略后,当每次要提交更新的时候就会将系统当前时间和实体加载时的时间进行比较,如果不一致,那么就报告乐观锁失败,从而回滚事务或者重新尝试提交。采用时间戳有一些不足,比如在集群环境下,每个节点的时间同步也许会成问题,并且如果并发事务间隔时间小于当前平台最小的时钟单位,那么就会发生覆盖前一个事务结果的问题。因此一般采用版本字段比较好。
基于所有属性进行检测:采用这种策略的时候,需要比较每个字段在读取以后有没有被修改过,所以这种策略实现起来比较麻烦,要求对每个属性都进行比较,如果采用hibernate的话,因为Hibernate在一级缓存中可以进行脏检测,那么可以判断哪些字段被修改过,从而动态的生成sql语句进行更新。

CAS:

乐观锁的具体实现细节主要就是两个步骤:冲突检测和数据更新。其实现方式有一种比较典型的就是 Compare and Swap ( CAS )。

  CAS:CAS是乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。   

  CAS 操作中包含三个操作数 —— 需要读写的内存位置(V)、进行比较的预期原值(A)和拟写入的新值(B)。如果内存位置V的值与预期原值A相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值B。否则处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。(在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“ 我认为位置 V 应该包含值 A;如果包含该值,则将 B 放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。 ”这其实和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

  这里再强调一下,乐观锁是一种思想。CAS是这种思想的一种实现方式。

在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

eg:java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger

测试代码路径:https://download.csdn.net/download/baidu_25310663/10982348

锁的使用场景:

在实际生产环境里边,如果并发量不大且不允许脏读,可以使用悲观锁解决并发问题;但如果系统的并发非常大的话,悲观锁定会带来非常大的性能问题,所以我们就要选择乐观锁定的方法. 

经典案例分析:

如一个金融系统,当某个操作员读取用户的数据,并在读出的用户数据的基础上进行修改时(如更改用户帐户余额),如果采用悲观锁机制,也就意味着整个操作过程中(从操作员读出数据、开始修改直至提交修改结果的全过程,甚至还包括操作员中途去煮咖啡的时间),数据库记录始终处于加锁状态,可以想见,如果面对几百上千个并发,这样的情况将导致怎样的后果。

乐观锁机制在一定程度上解决了这个问题。

乐观锁,大多是基于数据版本( Version )记录机制实现。何谓数据版本?即为数据增加一个版本标识,在基于数据库表的版本解决方案中,一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来实现。

读取出数据时,将此版本号一同读出,之后更新时,对此版本号加一。此时,将提交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对,如果提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,否则认为是过期数据。

对于上面修改用户帐户信息的例子而言,假设数据库中帐户信息表中有一个version 字段,当前值为 1 ; 
而当前帐户余额字段( balance )为 $100 。

1 操作员 A 此时将其读出( version=1 ),并从其帐户余额中扣除 50(50(100-$50 )。

2 在操作员 A 操作的过程中,操作员 B 也读入此用户信息( version=1 ),并从其帐户余额中扣除 20(20(100-$20 )。

3 操作员 A 完成了修改工作,将数据版本号加一( version=2 ),连同帐户扣除后余额( balance=$50 ),提交至数据库更新,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 更新为 2 。

4 操作员 B 完成了操作,也将版本号加一( version=2 )试图向数据库提交数据( balance=$80 ),但此时比对数据库记录版本时发现,操作员 B 提交的数据版本号为 2 ,数据库记录当前版本也为 2 ,不满足 “ 提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略,因此,操作员 B 的提交被驳回。这样,就避免了操作员 B 用基于 version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作员 A 的操作结果的可能。

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转载自blog.csdn.net/baidu_25310663/article/details/87966600