併發控制——樂觀鎖和悲觀鎖

程式設計師的貓發表於2020-07-15

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當程式中可能出現併發的情況時，我們就需要通過一定的手段來保證在併發情況下資料的準確性，通過這種手段保證了當前使用者和其他使用者一起操作時，所得到的結果和他單獨操作時的結果是一樣的。這種手段就叫做併發控制。併發控制的目的是保證一個使用者的工作不會對另一個使用者的工作產生不合理的影響。

沒有做好併發控制，就可能導致髒讀、幻讀和不可重複讀等問題。

併發

我們常說的併發控制，一般都和資料庫管理系統（DBMS）有關。在DBMS中的併發控制的任務，是確保在多個事務同時存取資料庫中同一資料時，不破壞事務的隔離性和統一性以及資料庫的統一性。

實現併發控制的手段

實現併發控制的主要手段大致可以分為樂觀併發控制和悲觀併發控制兩種。
在開始介紹之前要明確一下：無論是悲觀鎖還是樂觀鎖，都是人們定義出來的概念，可以認為是一種思想。其實不僅僅是關係型資料庫系統中有樂觀鎖和悲觀鎖的概念，像hibernate、tair、memcache等都有類似的概念。所以，不應該拿樂觀鎖、悲觀鎖和其他的資料庫鎖等進行對比。

當我們要對一個資料庫中的一條資料進行修改的時候，為了避免同時被其他人修改，最好的辦法就是直接對該資料進行加鎖以防止併發。這種藉助資料庫鎖機制，在修改資料之前先鎖定，再修改的方式被稱之為悲觀併發控制（又名“悲觀鎖”，Pessimistic Concurrency Control，縮寫“PCC”）。

百度百科：
悲觀鎖，正如其名，具有強烈的獨佔和排他特性。它指的是對資料被外界（包括本系統當前的其他事務，以及來自外部系統的事務處理）修改持保守態度。因此，在整個資料處理過程中，將資料處於鎖定狀態。悲觀鎖的實現，往往依靠資料庫提供的鎖機制（也只有資料庫層提供的鎖機制才能真正保證資料訪問的排他性，否則，即使在本系統中實現了加鎖機制，也無法保證外部系統不會修改資料）。

之所以叫做悲觀鎖，是因為這是一種對資料的修改抱有悲觀態度的併發控制方式。我們一般認為資料被併發修改的概率比較大，所以需要在修改之前先加鎖。

悲觀鎖主要是共享鎖或排他鎖

共享鎖又稱為讀鎖，簡稱S鎖。顧名思義，共享鎖就是多個事務對於同一資料可以共享一把鎖，都能訪問到資料，但是隻能讀不能修改。
排他鎖又稱為寫鎖，簡稱X鎖。顧名思義，排他鎖就是不能與其他鎖並存，如果一個事務獲取了一個資料行的排他鎖，其他事務就不能再獲取該行的其他鎖，包括共享鎖和排他鎖，但是獲取排他鎖的事務是可以對資料行讀取和修改。

悲觀併發控制實際上是“先取鎖再訪問”的保守策略，為資料處理的安全提供了保證。

悲觀鎖

但是在效率方面，處理加鎖的機制會讓資料庫產生額外的開銷，還有增加產生死鎖的機會。另外還會降低並行性，一個事務如果鎖定了某行資料，其他事務就必須等待該事務處理完才可以處理那行資料。

樂觀鎖是相對悲觀鎖而言的，樂觀鎖假設資料一般情況下不會造成衝突，所以在資料進行提交更新的時候，才會正式對資料的衝突與否進行檢測，如果發現衝突了，則返回給使用者錯誤的資訊，讓使用者決定如何去做。

百度百科：
樂觀鎖機制採取了更加寬鬆的加鎖機制。樂觀鎖是相對悲觀鎖而言，也是為了避免資料庫幻讀、業務處理時間過長等原因引起資料處理錯誤的一種機制，但樂觀鎖不會刻意使用資料庫本身的鎖機制，而是依據資料本身來保證資料的正確性。

相對於悲觀鎖，在對資料庫進行處理的時候，樂觀鎖並不會使用資料庫提供的鎖機制。一般的實現樂觀鎖的方式就是記錄資料版本。

樂觀鎖

樂觀併發控制相信事務之間的資料競爭(data race)的概率是比較小的，因此儘可能直接做下去，直到提交的時候才去鎖定，所以不會產生任何鎖和死鎖。

悲觀鎖實現方式

悲觀鎖的實現，往往依靠資料庫提供的鎖機制。在資料庫中，悲觀鎖的流程如下：

在對記錄進行修改前，先嚐試為該記錄加上排他鎖（exclusive locking）。
如果加鎖失敗，說明該記錄正在被修改，那麼當前查詢可能要等待或者丟擲異常。具體響應方式由開發者根據實際需要決定。
如果成功加鎖，那麼就可以對記錄做修改，事務完成後就會解鎖了。
期間如果有其他對該記錄做修改或加排他鎖的操作，都會等待我們解鎖或直接丟擲異常。

拿比較常用的MySql Innodb引擎舉例，來說明一下在SQL中如何使用悲觀鎖。

要使用悲觀鎖，我們必須關閉MySQL資料庫的自動提交屬性。因為MySQL預設使用autocommit模式，也就是說，當我們執行一個更新操作後，MySQL會立刻將結果進行提交。（sql語句：set autocommit=0）

以淘寶下單過程中扣減庫存的需求說明一下悲觀鎖的使用：

悲觀鎖使用

以上，在對id = 1的記錄修改前，先通過for update的方式進行加鎖，然後再進行修改。這就是比較典型的悲觀鎖策略。

如果以上修改庫存的程式碼發生併發，同一時間只有一個執行緒可以開啟事務並獲得id=1的鎖，其它的事務必須等本次事務提交之後才能執行。這樣我們可以保證當前的資料不會被其它事務修改。

上面我們提到，使用select…for update會把資料給鎖住，不過我們需要注意一些鎖的級別，MySQL InnoDB預設行級鎖。行級鎖都是基於索引的，如果一條SQL語句用不到索引是不會使用行級鎖的，會使用表級鎖把整張表鎖住，這點需要注意。

樂觀鎖實現方式

使用樂觀鎖就不需要藉助資料庫的鎖機制了。

樂觀鎖的概念中其實已經闡述了它的具體實現細節。主要就是兩個步驟：衝突檢測和資料更新。其實現方式有一種比較典型的就是CAS(Compare and Swap)。

CAS是項樂觀鎖技術，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。

比如前面的扣減庫存問題，通過樂觀鎖可以實現如下：

樂觀鎖使用

以上，我們在更新之前，先查詢一下庫存表中當前庫存數（quantity），然後在做update的時候，以庫存數作為一個修改條件。當我們提交更新的時候，判斷資料庫表對應記錄的當前庫存數與第一次取出來的庫存數進行比對，如果資料庫表當前庫存數與第一次取出來的庫存數相等，則予以更新，否則認為是過期資料。

以上更新語句存在一個比較重要的問題，即傳說中的ABA問題。

比如說一個執行緒one從資料庫中取出庫存數3，這時候另一個執行緒two也從資料庫中取出庫存數3，並且two進行了一些操作變成了2，然後two又將庫存數變成3，這時候執行緒one進行CAS操作發現資料庫中仍然是3，然後one操作成功。儘管執行緒one的CAS操作成功，但是不代表這個過程就是沒有問題的。