乐观锁和悲观锁

发布于 2024-02-27 22:46:26 字数 6041 浏览 43 评论 0

什么是悲观锁？

悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题（比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。也就是说，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。

像 Java 中 synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁就是悲观锁思想的实现。

public void performSynchronisedTask() {
  synchronized (this) {
    // 需要同步的操作
  }
}

private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
   // 需要同步的操作
} finally {
  lock.unlock();
}

高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。并且，悲观锁还可能会存在死锁问题，影响代码的正常运行。

什么是乐观锁？

乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了（具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法）。

在 Java 中 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类（比如 AtomicInteger 、 LongAdder ）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。 JUC 原子类概览

// LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好
// 代价就是会消耗更多的内存空间（空间换时间）
LongAdder sum = new LongAdder();
sum.increment();

高并发的场景下，乐观锁相比悲观锁来说，不存在锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁的问题，在性能上往往会更胜一筹。但是，如果冲突频繁发生（写占比非常多的情况），会频繁失败和重试，这样同样会非常影响性能，导致 CPU 飙升。

不过，大量失败重试的问题也是可以解决的，像我们前面提到的 LongAdder 以空间换时间的方式就解决了这个问题。

理论上来说：

悲观锁通常多用于写比较多的情况（多写场景，竞争激烈），这样可以避免频繁失败和重试影响性能，悲观锁的开销是固定的。不过，如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话（比如 LongAdder ），也是可以考虑使用乐观锁的，要视实际情况而定。
乐观锁通常多用于写比较少的情况（多读场景，竞争较少），这样可以避免频繁加锁影响性能。不过，乐观锁主要针对的对象是单个共享变量（参考 java.util.concurrent.atomic 包下面的原子变量类）。

如何实现乐观锁？

乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现，CAS 算法相对来说更多一些，这里需要格外注意。

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。

举一个简单的例子：假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（ balance ）为 $100 。

操作员 A 此时将其读出（ version =1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。
在操作员 A 操作的过程中，操作员 B 也读入此用户信息（ version =1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。
操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号（ version =1 ），连同帐户扣除后余额（ balance =$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本等于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录 version 更新为 2 。
操作员 B 完成了操作，也将版本号（ version =1 ）试图向数据库提交数据（ balance =$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 1 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须等于当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。

这样就避免了操作员 B 用基于 version =1 的旧数据修改的结果覆盖操作员 A 的操作结果的可能。

CAS 算法

CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。

CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

原子操作 即最小不可拆分的操作，也就是说操作一旦开始，就不能被打断，直到操作完成。

CAS 涉及到三个操作数：

V：要更新的变量值(Var)
E：预期值(Expected)
N：拟写入的新值(New)

当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等，说明已经有其它线程更新了 V，则当前线程放弃更新。

举一个简单的例子：线程 A 要修改变量 i 的值为 6，i 原值为 1（V = 1，E=1，N=6，假设不存在 ABA 问题）。

i 与 1 进行比较，如果相等，则说明没被其他线程修改，可以被设置为 6 。
i 与 1 进行比较，如果不相等，则说明被其他线程修改，当前线程放弃更新，CAS 操作失败。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

Java 语言并没有直接实现 CAS，CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的（JNI 调用）。因此， CAS 的具体实现和操作系统以及 CPU 都有关系。

sun.misc 包下的 Unsafe 类提供了 compareAndSwapObject 、 compareAndSwapInt 、 compareAndSwapLong 方法来实现的对 Object 、 int 、 long 类型的 CAS 操作

/**
  *  CAS
  * @param o     包含要修改 field 的对象
  * @param offset  对象中某 field 的偏移量
  * @param expected  期望值
  * @param update  更新值
  * @return      true | false
  */
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,  Object expected, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);

关于 Unsafe 类的详细介绍可以看这篇文章： Java 魔法类 Unsafe 详解 - JavaGuide - 2022 。

乐观锁存在哪些问题？

ABA 问题是乐观锁最常见的问题。

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。

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，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。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
               V   newReference,
               int expectedStamp,
               int newStamp) {
  Pair<V> current = pair;
  return
    expectedReference == current.reference &&
    expectedStamp == current.stamp &&
    ((newReference == current.reference &&
      newStamp == current.stamp) ||
     casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环时间长开销大

CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，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：

可以延迟流水线执行指令，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。
可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲而引起 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率。

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。

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