悲觀鎖與樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)(詳情圖解)
一、前言
1、在了解悲觀鎖和樂(lè)觀鎖之前，我們先了解一下什么是鎖，為什么要用到鎖?
2、技術(shù)來(lái)源于生活，鎖不僅在程序中存在，在現(xiàn)實(shí)中我們也隨處可見(jiàn)，例如我們上下班打卡的指紋鎖，保險(xiǎn)柜上的密碼鎖，以及我們我們登錄的用戶(hù)名和密碼也是一種鎖，生活中用到鎖可以保護(hù)我們?nèi)松戆踩?指紋鎖)、財(cái)產(chǎn)安全(保險(xiǎn)柜密碼鎖)、信息安全(用戶(hù)名密碼鎖)，讓我們更放心的去使用和生活，因?yàn)橛墟i，我們不用去擔(dān)心個(gè)人的財(cái)產(chǎn)和信息泄露。
3、而程序中的鎖，則是用來(lái)保證我們數(shù)據(jù)安全的機(jī)制和手段，例如當(dāng)我們有多個(gè)線程去訪問(wèn)修改共享變量的時(shí)候，我們可以給修改操作加鎖(syncronized)。當(dāng)多個(gè)用戶(hù)修改表中同一數(shù)據(jù)時(shí)，我們可以給該行數(shù)據(jù)上鎖(行鎖)。因此，當(dāng)程序中可能出現(xiàn)并發(fā)的情況時(shí)，我們就需要通過(guò)一定的手段來(lái)保證在并發(fā)情況下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)這種手段保證了當(dāng)前用戶(hù)和其他用戶(hù)一起操作時(shí)，所得到的結(jié)果和他單獨(dú)操作時(shí)的結(jié)果是一樣的
4、沒(méi)有做好并發(fā)控制，就可能導(dǎo)致臟讀、幻讀和不可重復(fù)讀等問(wèn)題，如下圖所示：
由于并發(fā)操作，如果沒(méi)有加鎖進(jìn)行并發(fā)控制，數(shù)據(jù)庫(kù)的最終的一條數(shù)據(jù)可能為3也有可能為5，導(dǎo)致數(shù)值不準(zhǔn)確
二、悲觀鎖和樂(lè)觀鎖
首先我們需要清楚的一點(diǎn)就是無(wú)論是悲觀鎖還是樂(lè)觀鎖，都是人們定義出來(lái)的概念，可以認(rèn)為是一種思想。
2.1、悲觀鎖
悲觀鎖(Pessimistic Lock)： 就是很悲觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改。所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖。這樣別人想拿數(shù)據(jù)就被擋住，直到悲觀鎖被釋放，悲觀鎖中的共享資源每次只給一個(gè)線程使用，其它線程阻塞，用完后再把資源轉(zhuǎn)讓給其它線程
但是在效率方面，處理加鎖的機(jī)制會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)銷(xiāo)，還有增加產(chǎn)生死鎖的機(jī)會(huì)。另外還會(huì)降低并行性，如果已經(jīng)鎖定了一個(gè)線程A，其他線程就必須等待該線程A處理完才可以處理
數(shù)據(jù)庫(kù)中的行鎖，表鎖，讀鎖(共享鎖)，寫(xiě)鎖(排他鎖)，以及syncronized實(shí)現(xiàn)的鎖均為悲觀鎖
悲觀并發(fā)控制實(shí)際上是“先取鎖再訪問(wèn)”的保守策略，為數(shù)據(jù)處理的安全提供了保證
2.2、樂(lè)觀鎖
樂(lè)觀鎖(Optimistic Lock)： 就是很樂(lè)觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改。所以不會(huì)上鎖，但是如果想要更新數(shù)據(jù)，則會(huì)在更新前檢查在讀取至更新這段時(shí)間別人有沒(méi)有修改過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)。如果修改過(guò)，則重新讀取，再次嘗試更新，循環(huán)上述步驟直到更新成功(當(dāng)然也允許更新失敗的線程放棄操作),樂(lè)觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類(lèi)型，這樣可以提高吞吐量
相對(duì)于悲觀鎖，在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理的時(shí)候，樂(lè)觀鎖并不會(huì)使用數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制。一般的實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖的方式就是記錄數(shù)據(jù)版本(version)或者是時(shí)間戳來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)使用版本記錄是最常用的。
樂(lè)觀控制相信事務(wù)之間的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)(data race)的概率是比較小的，因此盡可能直接做下去，直到提交的時(shí)候才去鎖定，所以不會(huì)產(chǎn)生任何鎖和死鎖。
三、鎖的實(shí)現(xiàn)
悲觀鎖阻塞事務(wù)、樂(lè)觀鎖回滾重試：它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，不要認(rèn)為一種一定好于另一種。像樂(lè)觀鎖適用于寫(xiě)比較少的情況下，即沖突真的很少發(fā)生的時(shí)候，這樣可以省去鎖的開(kāi)銷(xiāo)，加大了系統(tǒng)的整個(gè)吞吐量。但如果經(jīng)常產(chǎn)生沖突，上層應(yīng)用會(huì)不斷的進(jìn)行重試，這樣反倒是降低了性能，所以這種情況下用悲觀鎖就比較合適。
3.1 悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)方式
場(chǎng)景：
- 有用戶(hù)A和用戶(hù)B，在同一家店鋪去購(gòu)買(mǎi)同一個(gè)商品，但是商品的可購(gòu)買(mǎi)數(shù)量只有一個(gè)
下面是這個(gè)店鋪的商品表t_goods結(jié)構(gòu)和表中的數(shù)據(jù)：
在不加鎖的情況下，如果用戶(hù)A和用戶(hù)B同時(shí)下單，就會(huì)報(bào)錯(cuò)。
悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)，往往依靠數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制，在數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們?nèi)绾斡帽^鎖去解決這個(gè)事情呢?
- 加入當(dāng)用戶(hù)A對(duì)下單購(gòu)買(mǎi)商品(臭豆腐)的時(shí)候，先去嘗試對(duì)該數(shù)據(jù)(臭豆腐)加上悲觀鎖
- 加鎖失?。赫f(shuō)明商品(臭豆腐)正在被其他事務(wù)進(jìn)行修改，當(dāng)前查詢(xún)需要等待或者拋出異常，具體返回的方式需要由開(kāi)發(fā)者根據(jù)具體情況去定義
- 加鎖成功：對(duì)商品(臭豆腐)進(jìn)行修改，也就是只有用戶(hù)A能買(mǎi)，用戶(hù)B想買(mǎi)(臭豆腐)就必須一直等待。當(dāng)用戶(hù)A買(mǎi)好后，用戶(hù)B再想去買(mǎi)(臭豆腐)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)量已經(jīng)為0，那么B看到后就會(huì)放棄購(gòu)買(mǎi)
- 在此期間如果有其他對(duì)該數(shù)據(jù)(臭豆腐)做修改或加鎖的操作，都會(huì)等待我們解鎖后或者直接拋出異常
那么如何加上悲觀鎖呢?我們可以通過(guò)以下語(yǔ)句給id=2的這行數(shù)據(jù)加上悲觀鎖，首先關(guān)閉MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)提交屬性。因?yàn)镸ySQL默認(rèn)使用autocommit模式，也就是說(shuō)，當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)更新操作后，MySQL會(huì)立刻將結(jié)果進(jìn)行提交, (sql語(yǔ)句：setautocommit=0)
悲觀鎖加鎖sql語(yǔ)句：
- select num from t_goods where id = 2 for update
我們通過(guò)開(kāi)啟mysql的兩個(gè)會(huì)話(huà)，也就是兩個(gè)命令行來(lái)演示：
事務(wù)A：我們可以看到數(shù)據(jù)是立刻馬上就可以查詢(xún)出來(lái)，num=1
事務(wù)B：我們是可以看到，事務(wù)B會(huì)一直等待事務(wù)A釋放鎖。如果事務(wù)A長(zhǎng)期不釋放鎖，那么最終事務(wù)B將會(huì)報(bào)錯(cuò)，報(bào)錯(cuò)如下圖所示，表示語(yǔ)句已被鎖住。
現(xiàn)在我們讓事務(wù)A執(zhí)行命令去修改數(shù)據(jù)，讓臭豆腐的數(shù)量減一，然后查看修改后的數(shù)據(jù)，最后commit,結(jié)束事務(wù)
我們可以看到當(dāng)我們事務(wù)A執(zhí)行完成之后，臭豆腐的庫(kù)存只有0個(gè)了，這個(gè)時(shí)候我們用戶(hù)B再來(lái)購(gòu)買(mǎi)這個(gè)臭豆腐的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)，最后一個(gè)臭豆腐已經(jīng)被用戶(hù)A購(gòu)買(mǎi)完了，那么用戶(hù)B只能放棄購(gòu)買(mǎi)臭豆腐了。
通過(guò)悲觀鎖我們可以解決因?yàn)樯唐穾?kù)存不足，導(dǎo)致的商品超出庫(kù)存的售賣(mài)。
3.1 樂(lè)觀鎖的實(shí)現(xiàn)方式
對(duì)于上面的應(yīng)用場(chǎng)景，我們應(yīng)該怎么用樂(lè)觀鎖去解決呢?在上面的樂(lè)觀鎖中，我們有提到使用版本號(hào)(version)來(lái)解決，所以我們需要在t_goods加上版本號(hào)，調(diào)整后的sql表結(jié)構(gòu)如下：
具體操作步驟如下：
1、首先用戶(hù)A和用戶(hù)B同時(shí)將臭豆腐(id=2)的數(shù)據(jù)查出來(lái)
2、然后用戶(hù)A先買(mǎi)，用戶(hù)A將(id=1和version=0)作為條件進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，將數(shù)量-1，并且將版本號(hào)+1。此時(shí)版本號(hào)變?yōu)?。用戶(hù)A此時(shí)就完成了商品的購(gòu)買(mǎi)
3、 用戶(hù)B開(kāi)始買(mǎi)，用戶(hù)B也將(id=1和version=0)作為條件進(jìn)行數(shù)據(jù)更新
4、更新完后，發(fā)現(xiàn)更新的數(shù)據(jù)行數(shù)為0，此時(shí)就說(shuō)明已經(jīng)有人改動(dòng)過(guò)數(shù)據(jù)，此時(shí)就應(yīng)該提示用戶(hù)B重新查看最新數(shù)據(jù)購(gòu)買(mǎi)
1、首先我們開(kāi)啟兩個(gè)會(huì)話(huà)窗口，輸入查詢(xún)語(yǔ)句：selectnumfromt_goodswhere id=2
事務(wù)A：
事務(wù)B：
這個(gè)時(shí)候事務(wù)A和事務(wù)B同時(shí)獲取相同的數(shù)據(jù)
2、此時(shí)事務(wù)A進(jìn)行更新數(shù)據(jù)的操作，然后在查詢(xún)更新后的數(shù)據(jù)
這個(gè)時(shí)候我們可以看到事務(wù)A更新成功，并且?guī)齑?1 版本號(hào)+1成功
2、此時(shí)事務(wù)B進(jìn)行更新數(shù)據(jù)的操作，然后在查詢(xún)更新后的數(shù)據(jù)
可以看到最終修改的時(shí)候失敗，數(shù)據(jù)沒(méi)有改變。此時(shí)就需要我們告知用戶(hù)B重新處理
3.1.1 CAS
說(shuō)到樂(lè)觀鎖，就必須提到一個(gè)概念：CAS 什么是CAS呢?Compare-and-Swap，即比較并替換，也有叫做Compare-and-Set的，比較并設(shè)置。1、比較：讀取到了一個(gè)值A(chǔ)，在將其更新為B之前，檢查原值是否仍為A(未被其他線程改動(dòng))。2、設(shè)置：如果是，將A更新為B，結(jié)束。[1]如果不是，則什么都不做。上面的兩步操作是原子性的，可以簡(jiǎn)單地理解為瞬間完成，在CPU看來(lái)就是一步操作。有了CAS，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)樂(lè)觀鎖，允許多個(gè)線程同時(shí)讀取(因?yàn)楦緵](méi)有加鎖操作)，但是只有一個(gè)線程可以成功更新數(shù)據(jù)，并導(dǎo)致其他要更新數(shù)據(jù)的線程回滾重試。CAS利用CPU指令，從硬件層面保證了操作的原子性，以達(dá)到類(lèi)似于鎖的效果。
Java中真正的CAS操作調(diào)用的native方法因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中并沒(méi)有“加鎖”和“解鎖”操作，因此樂(lè)觀鎖策略也被稱(chēng)為無(wú)鎖編程。換句話(huà)說(shuō)，樂(lè)觀鎖其實(shí)不是“鎖”，它僅僅是一個(gè)循環(huán)重試CAS的算法而已!
四、如何選擇
悲觀鎖阻塞事務(wù)，樂(lè)觀鎖回滾重試，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，不要認(rèn)為一種一定好于另一種。像樂(lè)觀鎖適用于寫(xiě)比較少的情況下，即沖突真的很少發(fā)生的時(shí)候，這樣可以省去鎖的開(kāi)銷(xiāo)，加大了系統(tǒng)的整個(gè)吞吐量。
但如果經(jīng)常產(chǎn)生沖突，上層應(yīng)用會(huì)不斷的進(jìn)行重試，這樣反倒是降低了性能，所以這種情況下用悲觀鎖就比較合適。
注意點(diǎn)：
1、樂(lè)觀鎖并未真正加鎖，所以效率高。一旦鎖的粒度掌握不好，更新失敗的概率就會(huì)比較高，容易發(fā)生業(yè)務(wù)失敗。
2、悲觀鎖依賴(lài)數(shù)據(jù)庫(kù)鎖，效率低。更新失敗的概率比較低。
五、總結(jié)
這篇文章講解了悲觀鎖與樂(lè)觀鎖的區(qū)別，以及實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景，不管是悲觀鎖還是樂(lè)觀鎖都是人們定義出來(lái)的概念，是一種思想，
