乐观锁和悲观锁都是用于解决并发场景下的数据竞争问题,但是却是两种完全不同的思想。它们的使用非常广泛,也不局限于某种编程语言或数据库。
乐观锁的概念
所谓的乐观锁,指的是在操作数据的时候非常乐观,乐观地认为别人不会同时修改数据,因此乐观锁不会上锁,只有在执行更新的时候才会去判断在此期间别人是否修改了数据,如果别人修改了数据则放弃操作,否则执行操作。
悲观锁的概念
所谓的悲观锁,指的是在操作数据的时候比较悲观,悲观地认为别人一定会同时修改数据,因此悲观锁在操作数据时是直接把数据上锁,直到操作完成之后才会释放锁,在上锁期间其他人不能操作数据。
乐观锁的实现方式
乐观锁的实现方式主要有两种,一种是CAS(Compare and Swap,比较并交换)机制,一种是版本号机制。
CAS机制
CAS操作包括了三个操作数,分别是需要读取的内存位置(V)、进行比较的预期值(A)和拟写入的新值(B),操作逻辑是,如果内存位置V的值等于预期值A,则将该位置更新为新值B,否则不进行操作。另外,许多CAS操作都是自旋的,意思就是,如果操作不成功,就会一直重试,直到操作成功为止。
版本号机制
版本号机制的基本思路,是在数据中增加一个version字段用来表示该数据的版本号,每当数据被修改版本号就会加1。当某个线程查询数据的时候,会将该数据的版本号一起读取出来,之后在该线程需要更新该数据的时候,就将之前读取的版本号与当前版本号进行比较,如果一致,则执行操作,如果不一致,则放弃操作。
悲观锁的实现方式
悲观锁的实现方式也就是加锁,加锁既可以在代码层面(比如Java中的synchronized关键字),也可以在数据库层面(比如MySQL中的排他锁)。
乐观锁与悲观锁的优缺点和使用场景
乐观锁和悲观锁并没有优劣之分,它们有各自适合的场景。
功能限制
乐观锁与悲观锁相比,适用的场景受到了更多的限制,无论是CAS机制还是版本号机制。
比如,CAS机制只能保证单个变量操作的原子性,当涉及到多个变量的时候,CAS机制是无能为力的,而synchronized却可以通过对整个代码块进行加锁处理;再比如,版本号机制如果在查询数据的时候是针对表1,而更新数据的时候是针对表2,也很难通过简单的版本号来实现乐观锁。
竞争激烈程度
在竞争不激烈(出现并发冲突的概率比较小)的场景中,乐观锁更有优势。因为悲观锁会锁住代码块或数据,其他的线程无法同时访问,必须等待上一个线程释放锁才能进入操作,会影响并发的响应速度。另外,加锁和释放锁都需要消耗额外的系统资源,也会影响并发的处理速度。
在竞争激烈(出现并发冲突的概率较大)的场景中,悲观锁则更有优势。因为乐观锁在执行更新的时候,可能会因为数据被反复修改而更新失败,进而不断重试,造成CPU资源的浪费。
乐观锁是否会加锁
乐观锁本身是不加锁的,只有在更新的时候才会去判断数据是否被其他线程更新了,比如AtomicInteger便是一个例子。但是有时候乐观锁可能会与加锁操作合作,比如MySQL在执行更新数据操作的时候会加上排他锁。因此可以理解为乐观锁本身是不加锁的,只有在更新数据的时候才有可能会加锁。
CAS的缺点
CAS的缺点主要有ABA问题、高竞争下的开销问题和本身的功能限制。
ABA问题
所谓的ABA问题,指的就是一个线程在操作数据的时候,有别的线程对数据进行了一系列操作,但是在该线程重新读取该数据的时候,被修改过的数据却和该线程一开始读取的数据一致,该线程不会知道该数据已经被修改过了,然后CAS操作就被判断是成功了。
ABA问题在一些场景下可能不会造成什么危害,但是在某些场景中却可能会造成隐患。比如CAS操作的是栈顶的数据,栈顶的数据虽然经过两次(或多次)变化后又恢复了原值,但是栈却可能是发生了变化,栈中数据的变化就可能会引发一些问题。
对于ABA问题,比较有效的方案是引入版本号。只要内存中的值发生变化,版本号就加1,在进行CAS操作的时候不仅比较内存中的值,也比较版本号,只有当二者都没有变化的时候,CAS操作才能执行成功。Java中的AtomicStampedReference类便是适用版本号来解决ABA问题的。
高竞争下的开销问题
在并发冲突的概率较大的高竞争场景下,如果CAS操作一直失败,就会一直重试,造成CPU开销大的问题。针对这个问题,一个简单的思路是引入退出机制,如果重试次数超过一定阈值,就强制失败退出。当然了,最好是避免在高竞争的场景下使用乐观锁。
自身的功能限制
CAS的功能是比较受限的,比如CAS只能保证单个变量(或者说单个内存值)操作的原子性。这就意味着原子性不一定能保证线程安全,当涉及到多个变量(或者说多个内存值),CAS也是无能为力。除此之外,CAS的实现需要硬件层面处理器的支持,在Java中普通的用户是无法直接使用的,只有借助atomic包下的原子类才能使用,灵活性有限。
"新朋友不知道旧脾气,老朋友不知道新生活。"