一、何为悲观锁、乐观锁

1、悲观锁

顾名思义,就是比较悲观的锁,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直到它拿到锁( 共享资源每次只给一个线程使用,其它线程阻塞,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,表锁等,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。

2、乐观锁

反之,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。

二、悲观锁和乐观锁应用场景

从上面对两种锁的介绍,我们知道两种锁各有优缺点,不可认为一种好于另一种,像 乐观锁适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,这样反倒是降低了性能,所以 一般多写的场景下用悲观锁就比较合适。

三、实现方式

上面其实已经说了悲观锁的实现方式了,即 synchronizedReentrantLock。所以下面主要说说乐观锁的实现方式。主要有两种方式:

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。就是通过 version 版本号作为一个标识,标识这个字段所属的数据是否被改变。

如下面的 sql 语句:

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version};  

2.CAS算法:

compare and swap(比较与交换) ,是一种有名的 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

四、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。

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类 就提供了此种能力,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。  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执行指令(de-pipeline),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零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation)而引起 CPU 流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高 CPU 的执行效率。

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。