Java 悲观锁与乐观锁

悲观锁

总是假设最坏的情况,悲观锁认为被它保护的数据是极其不安全的,每时每刻都有可能变动,一个事务拿到悲观锁后(可以理解为一个用户),其他任何事务都不能对该数据进行修改,只能等待锁被释放才可以执行。当我们要对一个数据库中的一条数据进行修改的时候,为了避免同时被其他人修改,最好的办法就是直接对该数据进行加锁以防止并发。这种借助数据库锁机制,在修改数据之前先锁定,再修改的方式被称之为悲观并发控制(又名“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)。

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 synchronizedReentrantLock 等独占锁就是悲观锁思想的实现。

悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制(也只有数据库层提供的锁机制才能真正保证数据访问的排他性,否则,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证外部系统不会修改数据)。

悲观锁主要是共享锁或排他锁。

  • 共享锁又称为读锁,简称S锁。顾名思义,共享锁就是多个事务对于同一数据可以共享一把锁,都能访问到数据,但是只能读不能修改。
  • 排他锁又称为写锁,简称X锁。顾名思义,排他锁就是不能与其他锁并存,如果一个事务获取了一个数据行的排他锁,其他事务就不能再获取该行的其他锁,包括共享锁和排他锁,但是获取排他锁的事务是可以对数据行读取和修改。

乐观锁

总是假设最好的情况,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。

优缺点

悲观锁

  • 优点:悲观锁利用数据库中的锁机制来实现数据变化的顺序执行,这是最有效的办法
  • 缺点:效率方面,处理加锁的机制会让数据库产生额外的开销,还有增加产生死锁的机会。另外还会降低并行性,一个事务如果锁定了某行数据,其他事务就必须等待该事务处理完才可以处理那行数据。一个事务用悲观锁对数据加锁之后,其他事务将不能对加锁的数据进行除了查询以外的所有操作,如果该事务执行时间很长,那么其他事务将一直等待,那势必影响我们系统的吞吐量。

乐观锁

  • 优点:乐观锁不在数据库上加锁,任何事务都可以对数据进行操作,在更新时才进行校验,这样就避免了悲观锁造成的吞吐量下降的劣势。
  • 缺点:乐观锁因为时通过我们人为实现的,它仅仅适用于我们自己业务中,如果有外来事务插入,那么就可能发生错误。

乐观锁的缺点

1 ABA 问题

如果一个变量 V 初次读取的时候是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了吗?很明显是不能的,因为在这段时间它的值可能被改为其他值,然后又改回A,那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 "ABA"问题。

Java 并发包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。其中的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2 循环时间长开销大

自旋CAS(也就是不成功就一直循环执行直到成功)如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。

3 只能保证一个共享变量的原子操作

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 JDK 1.5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来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用 AtomicReference 类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

乐观锁常见的两种实现方式

乐观锁一般会使用版本号机制或CAS算法实现。

1 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,表示数据被修改的次数,当数据被修改时,version值会加一。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,否则重试更新操作,直到更新成功。

2 CAS算法

Compare And Swap(比较与交换),是一种著名的无锁算法。无锁编程,即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步,也就是在没有线程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通过原子方式用新值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

CAS比较与交换的伪代码可以表示为:

do{
    // 备份旧数据;
    // 基于旧数据构造新数据;
} while(!CAS( 内存地址,备份的旧数据,新数据 ))

应用场景

悲观锁:悲观锁会影响系统吞吐的性能,所以适合应用在为居多的场景下。悲观锁依赖数据库锁,效率低。更新失败的概率比较低。

乐观锁:乐观锁是为了避免悲观锁的弊端出现的,所以适合应用在为居多的场景下。乐观锁并未真正加锁,效率高。一旦锁的粒度掌握不好,更新失败的概率就会比较高,容易发生业务失败。

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