Java 乐观锁 悲观锁

Posted 2022-05-20 hequnwang10

一、乐观锁、悲观锁定义

乐观锁：乐观锁在操作数据时非常乐观，认为别人不会同时修改数据。因此乐观锁不会上锁，只是在执行更新的时候判断一下在此期间别人是否修改了数据：如果别人修改了数据则放弃操作，否则执行操作。

悲观锁：悲观锁在操作数据时比较悲观，认为别人会同时修改数据。因此操作数据时直接把数据锁住，直到操作完成后才会释放锁；上锁期间其他人不能修改数据。

二、实现方式

悲观锁的实现方式是加锁，加锁既可以是对代码块加锁（如Java的synchronized关键字），也可以是对数据加锁。synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

乐观锁的实现方式主要有两种：CAS机制和版本号机制。乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

1、CAS（Compare And Swap）

CAS操作包括了3个操作数：

1. 需要读写的内存位置(V)
2. 进行比较的预期值(A)
3. 拟写入的新值(B)
   CAS操作逻辑如下：如果内存位置V的值等于预期的A值，则将该位置更新为新值B，否则不进行任何操作。许多CAS的操作是自旋的：如果操作不成功，会一直重试，直到操作成功为止。

这里引出一个新的问题，既然CAS包含了Compare和Swap两个操作，它又如何保证原子性呢？答案是：CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行保证的。

下面以Java中的自增操作(i++)为例，看一下悲观锁和CAS分别是如何保证线程安全的。我们知道，在Java中自增操作不是原子操作，它实际上包含三个独立的操作：（1）读取i值；（2）加1；（3）将新值写回i。

因此，如果并发执行自增操作，可能导致计算结果的不准确。在下面的代码示例中：value1没有进行任何线程安全方面的保护，value2使用了乐观锁(CAS)，value3使用了悲观锁(synchronized)。运行程序，使用1000个线程同时对value1、value2和value3进行自增操作，可以发现：value2和value3的值总是等于1000，而value1的值常常小于1000。

public class suo 
    //value1：线程不安全
    private static int value1 = 0;
    //value2：使用乐观锁
    private static AtomicInteger value2 = new AtomicInteger(0);
    //value3：使用悲观锁
    private static int value3 = 0;
    private static synchronized void increaseValue3()
        value3++;
    

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        //开启1000个线程，并执行自增操作
        for(int i = 0; i < 1000; ++i)
            new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    try 
                        Thread.sleep(100);
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                    value1++;
                    value2.getAndIncrement();
                    increaseValue3();
                
            ).start();
        
        //打印结果
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("线程不安全：" + value1);
        System.out.println("乐观锁(AtomicInteger)：" + value2);
        System.out.println("悲观锁(synchronized)：" + value3);
    

输出：

线程不安全：991
乐观锁(AtomicInteger)：1000
悲观锁(synchronized)：1000

首先来介绍AtomicInteger。AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic包提供的原子类，利用CPU提供的CAS操作来保证原子性；除了AtomicInteger外，还有AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference等众多原子类。
java是无法实现对底层内存的操作的，C++可以，java使用Unsafe类实现。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable 
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static 
        try 
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
         catch (Exception ex)  throw new Error(ex); 
    
    private volatile int value;

• unsafe： 获取并操作内存的数据。
• valueOffset： 存储value在AtomicInteger中的偏移量。
• value： 存储AtomicInteger的int值，该属性需要借助volatile关键字保证其在线程间是可见的。

我们查看AtomicInteger的自增函数incrementAndGet()的源码时，发现自增函数底层调用的是unsafe.getAndAddInt()。但是由于JDK本身只有Unsafe.class，只通过class文件中的参数名，并不能很好的了解方法的作用，所以我们通过OpenJDK 8 来查看Unsafe的源码：

// ------------------------- JDK 8 -------------------------
// AtomicInteger 自增方法
public final int incrementAndGet() 
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;


// Unsafe.class
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) 
  int var5;
  do 
      var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
   while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
  return var5;


// ------------------------- OpenJDK 8 -------------------------
// Unsafe.java
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) 
   int v;
   do 
       v = getIntVolatile(o, offset);
    while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
   return v;

根据OpenJDK 8的源码我们可以看出，getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v，然后判断内存值是否等于v。如果相等则将内存值设置为 v + delta，否则返回false，继续循环进行重试，直到设置成功才能退出循环，并且将旧值返回。整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中，在JNI里是借助于一个CPU指令完成的，属于原子操作，可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

其他源码：

 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 
     return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 
public final int getAndIncrement() 
   return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);

1. getAndIncrement()实现的自增操作是自旋CAS操作：在循环中进行compareAndSet，如果执行成功则退出，否则一直执行。

2. 其中compareAndSet是CAS操作的核心，它是利用Unsafe对象实现的。

3. Unsafe又是何许人也呢？Unsafe是用来帮助Java访问操作系统底层资源的类（如可以分配内存、释放内存），通过Unsafe，Java具有了底层操作能力，可以提升运行效率；强大的底层资源操作能力也带来了安全隐患(类的名字Unsafe也在提醒我们这一点)，因此正常情况下用户无法使用。AtomicInteger在这里使用了Unsafe提供的CAS功能。

4. valueOffset可以理解为value在内存中的偏移量，对应了CAS三个操作数(V/A/B)中的V；偏移量的获得也是通过Unsafe实现的。

5. value域的volatile修饰符：Java并发编程要保证线程安全，需要保证原子性、可视性和有序性；CAS操作可以保证原子性，而volatile可以保证可视性和一定程度的有序性；在AtomicInteger中，volatile和CAS一起保证了线程安全性。关于volatile作用原理的说明涉及到Java内存模型(JMM)，这里不详细展开。

2、版本号机制

除了CAS，版本号机制也可以用来实现乐观锁。版本号机制的基本思路是在数据中增加一个字段version，表示该数据的版本号，每当数据被修改，版本号加1。当某个线程查询数据时，将该数据的版本号一起查出来；当该线程更新数据时，判断当前版本号与之前读取的版本号是否一致，如果一致才进行操作。

需要注意的是，这里使用了版本号作为判断数据变化的标记，实际上可以根据实际情况选用其他能够标记数据版本的字段，如时间戳等。

三、优缺点和适用场景

1、功能限制

与悲观锁相比，乐观锁适用的场景受到了更多的限制，无论是CAS还是版本号机制。

例如，CAS只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS是无能为力的，而synchronized则可以通过对整个代码块加锁来处理。再比如版本号机制，如果query的时候是针对表1，而update的时候是针对表2，也很难通过简单的版本号来实现乐观锁。

2、竞争激烈程度

如果悲观锁和乐观锁都可以使用，那么选择就要考虑竞争的激烈程度：

当竞争不激烈 (出现并发冲突的概率小)时，乐观锁更有优势，因为悲观锁会锁住代码块或数据，其他线程无法同时访问，影响并发，而且加锁和释放锁都需要消耗额外的资源。
当竞争激烈(出现并发冲突的概率大)时，悲观锁更有优势，因为乐观锁在执行更新时频繁失败，需要不断重试，浪费CPU资源。

• 悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
• 乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

四、乐观锁加锁吗？

（1）乐观锁本身是不加锁的，只是在更新时判断一下数据是否被其他线程更新了；AtomicInteger便是一个例子。

（2）有时乐观锁可能与加锁操作合作。

五、CAS有哪些缺点

1、ABA问题

假设有两个线程——线程1和线程2，两个线程按照顺序进行以下操作：

(1)线程1读取内存中数据为A；

(2)线程2将该数据修改为B；

(3)线程2将该数据修改为A；

(4)线程1对数据进行CAS操作

在第(4)步中，由于内存中数据仍然为A，因此CAS操作成功，但实际上该数据已经被线程2修改过了。这就是ABA问题。

在AtomicInteger的例子中，ABA似乎没有什么危害。但是在某些场景下，ABA却会带来隐患，例如栈顶问题：一个栈的栈顶经过两次(或多次)变化又恢复了原值，但是栈可能已发生了变化。

对于ABA问题，比较有效的方案是引入版本号，内存中的值每发生一次变化，版本号都+1；在进行CAS操作时，不仅比较内存中的值，也会比较版本号，只有当二者都没有变化时，CAS才能执行成功。Java中的AtomicStampedReference类便是使用版本号来解决ABA问题的。这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。

2、循环时间长开销大

CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。

3、功能限制

只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。