悲觀鎖和樂觀鎖是兩種常見的并發(fā)控制機制，用于處理多線程或多進程環(huán)境中的數(shù)據(jù)訪問沖突問題。它們在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和多線程編程中都有廣泛應用。這篇文章我們來分析它們的原理以及使用場景。

一、悲觀鎖

1.定義

悲觀鎖（Pessimistic Lock）是一種假設沖突會頻繁發(fā)生的鎖機制。每次數(shù)據(jù)訪問時，都會先加鎖，直到操作完成后才釋放鎖，這樣可以確保在鎖持有期間，其他線程無法訪問這段數(shù)據(jù)，從而避免了并發(fā)沖突。

悲觀鎖的實現(xiàn)通常有以下兩種方式：

• 數(shù)據(jù)庫：在數(shù)據(jù)庫中，悲觀鎖通常通過SQL語句實現(xiàn)，例如SELECT ... FOR UPDATE。
• 編程語言：在編程語言中，悲觀鎖可以使用互斥鎖（Mutex）或同步塊（Synchronized Block）來實現(xiàn)。

2.應用場景

適用于對數(shù)據(jù)并發(fā)沖突非常敏感的場景，例如銀行轉(zhuǎn)賬操作、庫存扣減等需要嚴格數(shù)據(jù)一致性的操作。

3.優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：可以完全避免并發(fā)沖突，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。
• 缺點：由于每次訪問數(shù)據(jù)都需要加鎖和解鎖，會導致性能開銷較大，特別是在并發(fā)量高的情況下，容易造成鎖競爭和死鎖問題。

4.示例

下面我們用 Java + MySQL 展示了一個悲觀鎖的具體實現(xiàn)。

假設有一個銀行賬戶表（Account），包含賬戶 ID和余額兩個字段，我們希望在更新賬戶余額時使用悲觀鎖，以確保數(shù)據(jù)的一致性。

整個運行流程分為以下4個步驟：

• 獲取賬戶信息并鎖定記錄（SELECT ... FOR UPDATE）。
• 計算新的余額。
• 更新賬戶信息。
• 由于使用了@Transactional注解，整個方法執(zhí)行在一個事務中，確保在事務提交之前，鎖定的記錄不會被其他事務修改。

(1) 數(shù)據(jù)庫表結構

CREATE TABLE Account (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2) NOT NULL
);

(2) Java實現(xiàn)示例

Account類：

public class Account {
    private int id;
    private BigDecimal balance;

    // Getters and Setters
}

AccountMapper接口：

public interface AccountMapper {
    Account getAccountByIdForUpdate(int id);
    void updateAccount(Account account);
}

AccountMapper的SQL實現(xiàn)：

<mapper namespace="com.example.AccountMapper">
    <select id="getAccountByIdForUpdate" resultType="com.example.Account">
        SELECT id, balance FROM Account WHERE id = #{id} FOR UPDATE
    </select>

    <update id="updateAccount">
        UPDATE Account
        SET balance = #{balance}
        WHERE id = #{id}
    </update>
</mapper>

AccountService類：

import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

public class AccountService {

    private AccountMapper accountMapper;

    public AccountService(AccountMapper accountMapper) {
        this.accountMapper = accountMapper;
    }

    @Transactional
    public void updateAccountBalance(int accountId, BigDecimal amount) {
        // 獲取賬戶信息并鎖定記錄
        Account account = accountMapper.getAccountByIdForUpdate(accountId);
        if (account == null) {
            throw new RuntimeException("Account not found");
        }

        // 更新余額
        account.setBalance(account.getBalance().add(amount));

        // 更新賬戶信息
        accountMapper.updateAccount(account);
    }
}

示例說明：

• Account類：包含賬戶ID和余額的Java類。
• AccountMapper接口：定義了獲取賬戶信息（帶鎖定）和更新賬戶信息的方法。
• AccountMapper的SQL實現(xiàn)：使用MyBatis或其他ORM框架，定義了SQL查詢和更新語句。注意在查詢語句中使用FOR UPDATE來鎖定記錄。
• AccountService類：業(yè)務邏輯類，在更新賬戶余額時，先獲取當前賬戶信息并鎖定記錄，然后更新余額并提交更新。

這種機制確保了在操作完成之前，其他線程無法修改鎖定的記錄，從而實現(xiàn)了悲觀鎖的并發(fā)控制。

(3) 注意事項

• 事務管理：使用悲觀鎖時，需要確保在事務提交之前鎖不會被釋放，因此必須在事務中使用。
• 死鎖風險：悲觀鎖可能會導致死鎖，需要特別注意死鎖檢測和處理。
• 性能影響：由于每次操作都需要加鎖和解鎖，性能可能會受到影響，特別是在高并發(fā)情況下。

通過了解悲觀鎖的具體實現(xiàn)，可以在需要嚴格數(shù)據(jù)一致性的場景中有效地避免并發(fā)沖突。

二、樂觀鎖

1.定義

樂觀鎖（Optimistic Lock）是一種假設沖突不會頻繁發(fā)生的鎖機制。每次數(shù)據(jù)訪問時，不會加鎖，而是在更新數(shù)據(jù)時檢查是否有其他線程修改過數(shù)據(jù)。如果檢測到?jīng)_突（數(shù)據(jù)被其他線程修改過），則重試操作或報錯。

樂觀鎖通常實現(xiàn)方式有以下兩種：

• 版本號機制：每次讀取數(shù)據(jù)時，讀取一個版本號，更新數(shù)據(jù)時，檢查版本號是否變化，如果沒有變化，則更新成功，否則重試。
• 時間戳機制：類似版本號機制，通過時間戳來檢測數(shù)據(jù)是否被修改。

2.應用場景

適用于讀多寫少的場景，例如用戶評論系統(tǒng)、社交媒體點贊等，這些場景下并發(fā)沖突概率較低。

3.優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：避免了頻繁的鎖操作，性能較好，適合讀多寫少的場景。
• 缺點：在高并發(fā)寫操作的場景下，重試可能會頻繁發(fā)生，導致性能下降。

4.示例

樂觀鎖的實現(xiàn)通常涉及到版本號（或時間戳）機制，以便在更新數(shù)據(jù)時檢測是否發(fā)生了并發(fā)修改。我們還是用上面的示例，展示了如何在 Java中使用樂觀鎖進行并發(fā)控制。

假設有一個銀行賬戶表（Account），包含賬戶ID、余額和版本號三個字段，現(xiàn)在希望在更新賬戶余額時使用樂觀鎖，以確保數(shù)據(jù)的一致性。

整個運行流程總結為下面 3個步驟：

• 獲取賬戶信息，包括當前的版本號。
• 計算新的余額，并增加版本號。
• 嘗試更新賬戶信息，如果版本號匹配則更新成功，否則更新失敗并拋出異常。

(1) 數(shù)據(jù)庫表結構

CREATE TABLE Account (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2) NOT NULL,
    version INT NOT NULL
);

(2) Java實現(xiàn)示例

Account類：

public class Account {
    private int id;
    private BigDecimal balance;
    private int version;

    // Getters and Setters
}

AccountMapper接口：

public interface AccountMapper {
    Account getAccountById(int id);
    int updateAccount(Account account);
}

AccountMapper的SQL實現(xiàn)：

<mapper namespace="com.example.AccountMapper">
    <select id="getAccountById" resultType="com.example.Account">
        SELECT id, balance, version FROM Account WHERE id = #{id}
    </select>

    <update id="updateAccount">
        UPDATE Account
        SET balance = #{balance}, version = #{version}
        WHERE id = #{id} AND version = #{oldVersion}
    </update>
</mapper>

AccountService類：

public class AccountService {

    private AccountMapper accountMapper;

    public AccountService(AccountMapper accountMapper) {
        this.accountMapper = accountMapper;
    }

    public void updateAccountBalance(int accountId, BigDecimal amount) {
        // 獲取賬戶信息
        Account account = accountMapper.getAccountById(accountId);
        if (account == null) {
            throw new RuntimeException("Account not found");
        }

        // 記錄當前版本號
        int currentVersion = account.getVersion();

        // 更新余額
        account.setBalance(account.getBalance().add(amount));
        // 更新版本號
        account.setVersion(currentVersion + 1);

        // 嘗試更新賬戶信息
        int updatedRows = accountMapper.updateAccount(account);
        if (updatedRows == 0) {
            // 更新失敗，可能是由于并發(fā)修改導致的版本號不匹配
            throw new OptimisticLockException("Update failed due to concurrent modification");
        }
    }
}

示例說明：

• Account類：包含賬戶ID、余額和版本號的Java類。
• AccountMapper接口：定義了獲取賬戶信息和更新賬戶信息的方法。
• AccountMapper的SQL實現(xiàn)：使用MyBatis或其他ORM框架，定義了SQL查詢和更新語句。注意在更新語句中使用了舊版本號來檢測并發(fā)修改。
• AccountService類：業(yè)務邏輯類，在更新賬戶余額時，先獲取當前賬戶信息及其版本號，然后嘗試更新余額和版本號。如果更新失敗，拋出一個OptimisticLockException。

三、區(qū)別總結

假設前提：

• 悲觀鎖假設沖突會頻繁發(fā)生，需要加鎖保護。
• 樂觀鎖假設沖突不會頻繁發(fā)生，通過版本號或時間戳來檢測沖突。

性能：

• 悲觀鎖性能較低，因為每次操作都需要加鎖和解鎖。
• 樂觀鎖性能較高，但在高并發(fā)寫操作下可能會頻繁重試，影響性能。

應用場景：

• 悲觀鎖適用于并發(fā)沖突高、數(shù)據(jù)一致性要求嚴格的場景。
• 樂觀鎖適用于并發(fā)沖突低、讀多寫少的場景。

四、總結

本文我們詳細分析了悲觀鎖和樂觀鎖的原理、區(qū)別、實現(xiàn)方式和應用場景，實際工作中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的并發(fā)控制機制，以保證系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)一致性。