乐观锁和悲观锁

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了乐观锁和悲观锁相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

基本概念

乐观锁和悲观锁是两种思想,用于解决并发场景下的数据竞争问题。

  • 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。

实现方式

在说明实现方式之前,需要明确:乐观锁和悲观锁是两种思想,它们的使用是非常广泛的,不局限于某种编程语言或数据库。

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(如mysql中的排它锁)。

乐观锁的实现方式主要有两种:CAS机制和版本号机制,下面详细介绍。

1、CAS(Compare And Swap)

CAS操作包括了3个操作数:

  • 需要读写的内存位置(V)

  • 进行比较的预期值(A)

  • 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。

CAS包含了Compare和Swap两个操作,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。

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。

优缺点和适用场景

乐观锁和悲观锁并没有优劣之分,它们有各自适合的场景;下面从两个方面进行说明。

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。

乐观锁是否加锁

(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;。

(2)有时乐观锁可能与加锁操作合作

CAS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。

2、高竞争下的开销问题

在并发冲突概率大的高竞争环境下,如果CAS一直失败,会一直重试,CPU开销较大。针对这个问题的一个思路是引入退出机制,如重试次数超过一定阈值后失败退出。当然,更重要的是避免在高竞争环境下使用乐观锁。

3、功能限制

CAS的功能是比较受限的,例如CAS只能保证单个变量(或者说单个内存值)操作的原子性,这意味着:(1)原子性不一定能保证线程安全,例如在Java中需要与volatile配合来保证线程安全;(2)当涉及到多个变量(内存值)时,CAS也无能为力。

除此之外,CAS的实现需要硬件层面处理器的支持,在Java中普通用户无法直接使用,只能借助atomic包下的原子类使用,灵活性受到限制。

以上是关于乐观锁和悲观锁的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

java中悲观锁和乐观锁的区别

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