樂觀鎖、悲觀鎖，這一篇就夠了！

Aron發表於2019-01-19

1. 樂觀鎖

樂觀鎖顧名思義就是在操作時很樂觀，認為操作不會產生併發問題(不會有其他執行緒對資料進行修改)，因此不會上鎖。但是在更新時會判斷其他執行緒在這之前有沒有對資料進行修改，一般會使用版本號機制或CAS(compare and swap)演算法實現。
簡單理解：這裡的資料，別想太多，你儘管用，出問題了算我慫，即操作失敗後事務回滾、提示。

1.1 版本號機制

1.1.1 實現套路：

  • 取出記錄時，獲取當前version
  • 更新時，帶上這個version
  • 執行更新時， set version = newVersion where version = oldVersion
  • 如果version不對，就更新失敗

核心SQL：

update table set name = `Aron`, version = version + 1 where id = #{id} and version = #{version};

1.1.2 例項-Mybatis-plus 樂觀鎖實現

原文檢視請點選 Mybatis-plus 樂觀鎖實現

1.2 CAS演算法

樂觀鎖的另一種技術技術，當多個執行緒嘗試使用CAS同時更新同一個變數時，只有其中一個執行緒能更新變數的值，而其它執行緒都失敗，失敗的執行緒並不會被掛起，而是被告知這次競爭中失敗，並可以再次嘗試。

CAS 操作中包含三個運算元 :

  • 需要讀寫的記憶體位置V
  • 進行比較的預期原值A
  • 擬寫入的新值B

如果記憶體位置V的值與預期原值A相匹配，那麼處理器會自動將該位置值更新為新值B。否則處理器不做任何操作。無論哪種情況，它都會在 CAS 指令之前返回該位置的值（在 CAS 的一些特殊情況下將僅返回 CAS 是否成功，而不提取當前值）。CAS 有效地說明了“ 我認為位置 V 應該包含值 A；如果包含該值，則將 B 放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。 ”這其實和樂觀鎖的衝突檢查+資料更新的原理是一樣的。

1.2.1 例項-concurrent包的實現

由於java的CAS同時具有 volatile 讀和volatile寫的記憶體語義，因此Java執行緒之間的通訊現在有了下面四種方式：

  1. A執行緒寫volatile變數，隨後B執行緒讀這個volatile變數。
  2. A執行緒寫volatile變數，隨後B執行緒用CAS更新這個volatile變數。
  3. A執行緒用CAS更新一個volatile變數，隨後B執行緒用CAS更新這個volatile變數。
  4. A執行緒用CAS更新一個volatile變數，隨後B執行緒讀這個volatile變數。

Java的CAS會使用現代處理器上提供的高效機器級別原子指令，這些原子指令以原子方式對記憶體執行讀-改-寫操作，這是在多處理器中實現同步的關鍵（從本質上來說，能夠支援原子性讀-改-寫指令的計算機器，是順序計算圖靈機的非同步等價機器，因此任何現代的多處理器都會去支援某種能對記憶體執行原子性讀-改-寫操作的原子指令）。同時，volatile變數的讀/寫和CAS可以實現執行緒之間的通訊。把這些特性整合在一起，就形成了整個concurrent包得以實現的基石。

仔細分析concurrent包的原始碼實現，會發現一個通用化的實現模式：

  1. 首先，宣告共享變數為volatile；　　
  2. 然後，使用CAS的原子條件更新來實現執行緒之間的同步；
  3. 同時，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的記憶體語義來實現執行緒

1.2.2 缺點

  • ABA問題

比如說一個執行緒T1從記憶體位置V中取出A，這時候另一個執行緒T2也從記憶體中取出A，並且T2進行了一些操作變成了B，然後T2又將V位置的資料變成A，這時候執行緒T1進行CAS操作發現記憶體中仍然是A，然後T1操作成功。儘管執行緒T1的CAS操作成功，但可能存在潛藏的問題。

  • 迴圈時間長開銷大

自旋CAS（不成功，就一直迴圈執行，直到成功）如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。如果JVM能支援處理器提供的pause指令那麼效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，第一它可以延遲流水線執行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出迴圈的時候因記憶體順序衝突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執行效率。

  • 只能保證一個共享變數的原子操作

當對一個共享變數執行操作時，我們可以使用迴圈CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變數操作時，迴圈CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變數合併成一個共享變數來操作。比如有兩個共享變數i ＝ 2,j = a，合併一下ij = 2a，然後用CAS來操作ij。從Java 1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用物件之間的原子性，你可以把多個變數放在一個物件裡來進行CAS操作。

2. 悲觀鎖

總是假設最壞的情況，每次取資料時都認為其他執行緒會修改，所以都會加（悲觀）鎖。一旦加鎖，不同執行緒同時執行時,只能有一個執行緒執行，其他的執行緒在入口處等待，直到鎖被釋放。

悲觀鎖在MySQL、Java有廣泛的使用

  • MySQL的讀鎖、寫鎖、行鎖等
  • Java的synchronized關鍵字

3. 總結

讀的多，衝突機率小，樂觀鎖。
寫的多，衝突機率大，悲觀鎖。

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