Java與Mysql鎖相關知識總結

IntoTw發表於2023-04-17
JavaMySql

鎖的定義

在計算機程式中鎖用於獨佔資源，獲取到鎖才可以操作對應的資源。

鎖的實現

鎖在計算機底層的實現，依賴於CPU提供的CAS指令（compare and swsp），對於一個記憶體地址，會比較原值以及嘗試去修改的值，透過值是否修改成功，來表示是否強佔到了這個鎖。

JVM中的鎖

jvm中，有2個常用的鎖

synchronized

synchronized是java提供的關鍵字鎖，可以鎖物件，類，方法。
在JDK1.6以後，對synchronized進行了最佳化，增加了偏向鎖和輕量鎖模式，現在synchronized鎖的執行邏輯如下：

  1. 在初始加鎖時，會增加偏向鎖，即“偏向上一次獲取該鎖的執行緒”，在偏向鎖下，會直接CAS獲取該鎖。該模式大大提高了單執行緒反覆獲取同一個鎖的吞吐情況，在Java官方看來，大部分鎖的爭搶都發生在同個執行緒上。
  2. 如果偏向鎖CAS獲取失敗，說明當前執行緒與偏向鎖偏向的執行緒不同，偏向鎖就會升級成輕量鎖，輕量鎖的特點就是透過自旋CAS去獲取鎖。
  3. 如果自旋獲取失敗，那麼鎖就會升級成重量鎖，所有等待鎖的執行緒將被JVM掛起，在鎖釋放後，再由JVM統一通知喚醒，再去嘗試CAS鎖，如果失敗，繼續掛起。

很顯然，偏向鎖設計的目的是“在Java官方看來，對同一個鎖的爭搶大部分都發生在同個執行緒上”。
輕量鎖設計的目的是“在短期內，鎖的爭搶透過自旋CAS就可以獲取到，短時間內的CPU自旋消耗小於執行緒掛起再喚醒的消耗”。
重量鎖就是最初最佳化前的synchronized的邏輯了。

ReentrantLock

說到ReentrantLock，就不得不說到JUC裡的AQS了。
AQS全稱AbstractQueueSynchronizer，幾乎JUC裡所有的工具類，都依賴AQS實現。
AQS在java裡，是一個抽象類，但是本質上是一種思路在java中的實現而已。
AQS的實現邏輯如下：

  1. 構造一個佇列
  2. 佇列中維護需要等待鎖的執行緒
  3. 頭結點永遠是持有鎖（或持有資源）的節點，等待的節點在頭結點之後依次連線。
  4. 頭結點釋放鎖後，會按照順序去喚醒那些等待的節點，然後那些節點會再次去嘗試獲取鎖。

在synchronized鎖最佳化以後，AQS的本質與synchronized並沒有太大不同，兩者的效能也並沒有太大差距了，所以AQS現在的特點是：

  1. 是在java api層面實現的鎖，所以可以實現各種併發工具類，操作也更加靈活
  2. 因為提供了超時時間等機制，操作靈活，所以不易死鎖。（相同的，如果發生死鎖，將更難排查，因為jstack裡將不會有deadlock標識）。
  3. 可以實現公平鎖，而synchronized必定是非公平鎖。
  4. 因為是JavaApi層實現的鎖，所以可以響應中斷。

到這裡你會發現，其實ReentrantLock可以說是synchronized在JavaApi層的實現。

Mysql 鎖

共享鎖(S) 與排它鎖(X)

作用範圍

這兩種鎖都包括行級鎖和表級鎖。
獲取共享鎖時，如果該資料被其他事務的排它鎖鎖住，則無法獲取，需要等待排它鎖釋放。

意向鎖

作用範圍

意向鎖為表鎖，在獲取表鎖之前，一定會檢查意向鎖。

意圖鎖定協議如下：

在事務獲得表中某行的共享鎖之前，它必須首先獲得表上的 IS 鎖或更強的鎖。

在事務獲得表中行的排他鎖之前，它必須首先獲得表的 IX 鎖。

在獲取任意表鎖的共享鎖或排它鎖之前，一定會檢查該表上的共享鎖。

表鎖以及意向鎖的互斥規則如下：
X IX S IS
X Conflict Conflict Conflict Conflict
IX Conflict Compatible Conflict Compatible
S Conflict Conflict Compatible Compatible
IS Conflict Compatible Compatible Compatible

意向鎖的作用在於：在獲取表鎖時，可以透過意向鎖來快速判斷能否獲取。

因為獲取行級鎖時，會先獲取對應的意向鎖，這樣另外的事務在獲取表鎖時就可以透過意向鎖快速的判斷，而不需要每行去掃描。

特別注意的是，意向鎖是可以疊加的，即會存在多個，如T1事務獲取了意向鎖IX1和行級鎖X1，T2事務依舊可以獲取意向鎖IX2和行級鎖X2，所以僅在獲取表級鎖之前，才會檢查意向鎖。

記錄鎖

記錄鎖生效在索引上，用以在SELECT c1 FROM t WHERE c1 = 10 FOR UPDATE時保護該行資料不被其他事務更改。

記錄鎖在沒有索引時依舊會生效，因為innodb會為每張表建立一個隱藏的索引。

記錄鎖是最基本的行鎖。

間隙鎖

間隙鎖生效在索引上，用於鎖定索引值後的行，防止插入，在select from table where index=? for update時會生效，例如index=1，則會鎖住index=1索引節點相關的行，防止其他事務插入資料。

但是並不會防止update語句，哪怕update的資料不存在。

Next-Key Locks

這個鎖是記錄鎖和間隙鎖的組合，簡而言之在select from table where index=? for update時，既會有間隙鎖防止insert，也會有記錄鎖在index上防止這一條資料的update和delete。這個Next-key只是對這兩種鎖的一種概括，因為這兩種鎖在select for update時通常會一起出現。

Insert Intention Locks

插入意向鎖，和意向鎖類似。不過是特殊的間隙鎖，並不發生在select for update，而是在同時發生insert時產生，例如在兩個事務同時insert索引區間為[4,7]時，同時獲得該區間的意向鎖，此時事務不會阻塞，例如A：insert-5，B：insert-7，此時不會阻塞兩個事務。

插入意向鎖是一個特殊的間隙鎖，是為了防止正常間隙鎖鎖區間的情況下，insert頻繁阻塞而設計的，例如A：insert-5，B：insert-7，如果沒有插入意向鎖，那麼5和7都要去嘗試獲取間隙鎖，此時第二個事務就會被阻塞，但是透過插入意向鎖，第二個事務就不會被阻塞，只有到插入的行確實衝突，才會被阻塞。

AUTO-INC Locks

自增鎖，這個鎖很明顯是表級insert鎖，為了保證自增主鍵的表的主鍵保持原子自增。

對於鎖這個東西，大家應該多去理解各種鎖設計執行的原理和模型，這樣在加深理解後，在使用起來才會更加深入和透徹。

常見鎖使用的場景和用法

double check

眾所周知，mysql的事務對防止重複插入並沒有什麼卵用，唯一索引又存在很多缺點，業務上最好不要使用，所以一般來說防止重複插入的通用做法就是使用分散式鎖，這就有一種比較常用的寫法。

final WeekendNoticeReadCountDO weekendNoticeReadCountDO = weekendNoticeReadRepositoryService.selectByNoticeId(noticeRequestDTO.getNoticeId());
if (weekendNoticeReadCountDO == null) {
    final String lockKey = RedisConstant.LOCK_WEEKEND_READ_COUNT_INSERT + ":" + noticeRequestDTO.getNoticeId();
    ClusterLock lock = clusterLockFactory.getClusterLockRedis(
        RedisConstant.REDIS_KEY_PREFIX,
        lockKey
    );
    if (lock.acquire(RedisConstant.REDIS_LOCK_DEFAULT_TIMEOUT)) {
        //double check
        final WeekendNoticeReadCountDO weekendNoticeReadCountDO = weekendNoticeReadRepositoryService.selectByNoticeId(noticeRequestDTO.getNoticeId());
        if (weekendNoticeReadCountDO == null) {
            try {
                lock.execute(() -> {
                    WeekendNoticeReadCountDO readCountDO = new WeekendNoticeReadCountDO();
                    readCountDO.setNoticeId(noticeRequestDTO.getNoticeId());
                    readCountDO.setReadCount(1L);
                    readCountDO.setCreateTime(new Date());
                    readCountDO.setUpdateTime(new Date());
                    weekendNoticeReadRepositoryService.insert(readCountDO);
                    return true;
                });
            } catch (ApiException err) {
                throw err;
            } catch (Exception e) {
                log.error("插入", e);
                throw new ApiException(ErrorEnum.SERVER_ERROR.getCode(), "服務端出錯");
            }
        } else {
            weekendNoticeReadRepositoryService.noticeCountAdd(weekendNoticeReadCountDO);
        }
    } else {
        log.warn("redis鎖獲取超時，key:{}", lockKey);
        throw new ApiException(ErrorEnum.SERVER_ERROR.getCode(), "伺服器繁忙，請稍後重試");
    }
}

在獲取到鎖之後，可能是經過等待才獲取到的鎖，此時上一個釋放鎖的執行緒可能已經插入了資料了，所以在鎖內部，依舊要再次校驗一下資料是否存在。
這種寫法適合大多數需要唯一性的寫場景。

避免死鎖

如何避免死鎖？最簡單有效的方法就是：**不要在鎖裡再去獲取鎖，簡而言之就是鎖最好單獨使用，不要套娃。
也要注意一些隱性鎖，比如資料庫。
事務A：

  1. 插入[5,7]，插入意向鎖。
  2. select for update更新[100,150]，間隙鎖。
    事務B：
  3. select for update更新[90,120]，間隙鎖。
  4. 插入[4,6]，插入意向鎖。

此時在併發場景下，就可能會出現A持有了[5,7]的間隙鎖，在等待事務B[90,120]的間隙鎖，事務B也一樣，就死鎖了。
**

順帶談談併發場景下常見的問題

讀寫混亂

在寫業務程式碼，定義一些工具類或者快取類的時候，很容易疏忽而發生類似的問題。
比如構建一個static快取，沒有使用ConcurrentHashMap中的putIfAbsent等方法，也沒有加鎖去構建，導致上面的執行緒剛put了，下面的執行緒就刪掉了，或者重複構建2次快取。

Redis或者一些併發操作釋放鎖或者資源，沒有檢查是否是當前執行緒持有

這點在Redis鎖的示例程式碼也講到了。
執行緒A獲取到鎖，此時B,C在等待，然後A執行時間過長，導致鎖超時被自動釋放了，此時B獲取到了鎖，在快樂的執行，然後A執行完了之後，釋放鎖時沒有判斷是否還是自己持有，導致B持有的鎖被刪除了，此時C又獲取到了鎖，BC同時在執行。

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