面試必備之悲觀鎖與樂觀鎖

悲觀鎖

總是假設(shè)最壞的情況，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，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖（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）。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。Java中synchronized和ReentrantLock等獨(dú)占鎖就是悲觀鎖思想的實(shí)現(xiàn)。

樂觀鎖

總是假設(shè)最好的情況，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，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)機(jī)制和CAS算法實(shí)現(xiàn)。樂觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫提供的類似于write_condition機(jī)制，其實(shí)都是提供的樂觀鎖。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式CAS實(shí)現(xiàn)的。

兩種鎖的使用場(chǎng)景

從上面對(duì)兩種鎖的介紹，我們知道兩種鎖各有優(yōu)缺點(diǎn)，不可認(rèn)為一種好于另一種，像樂觀鎖適用于寫比較少的情況下（多讀場(chǎng)景），即沖突真的很少發(fā)生的時(shí)候，這樣可以省去了鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的整個(gè)吞吐量。但如果是多寫的情況，一般會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生沖突，這就會(huì)導(dǎo)致上層應(yīng)用會(huì)不斷的進(jìn)行retry，這樣反倒是降低了性能，所以一般多寫的場(chǎng)景下用悲觀鎖就比較合適。

樂觀鎖常見的兩種實(shí)現(xiàn)方式

樂觀鎖一般會(huì)使用版本號(hào)機(jī)制或CAS算法實(shí)現(xiàn)。

1. 版本號(hào)機(jī)制

一般是在數(shù)據(jù)表中加上一個(gè)數(shù)據(jù)版本號(hào)version字段，表示數(shù)據(jù)被修改的次數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時(shí)，version值會(huì)加一。當(dāng)線程A要更新數(shù)據(jù)值時(shí)，在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)讀取version值，在提交更新時(shí)，若剛才讀取到的version值為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的version值相等時(shí)才更新，否則重試更新操作，直到更新成功。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子： 假設(shè)數(shù)據(jù)庫中帳戶信息表中有一個(gè) version 字段，當(dāng)前值為 1 ；而當(dāng)前帳戶余額字段（ balance ）為 ￥100 。

• 操作員 A 此時(shí)將其讀出（version=1），并從其帳戶余額中扣除￥50（￥100 - ￥50）。
• 在操作員 A 操作的過程中，操作員B 也讀入此用戶信息（ version=1 ），并從其帳戶余額中扣除 ￥20 （ ￥100-￥20 ）。
• 操作員 A 完成了修改工作，將數(shù)據(jù)版本號(hào)加一（ version=2 ），連同帳戶扣除后余額（ balance=￥50 ），提交至數(shù)據(jù)庫更新，此時(shí)由于提交數(shù)據(jù)版本大于數(shù)據(jù)庫記錄當(dāng)前版本，數(shù)據(jù)被更新，數(shù)據(jù)庫記錄 version 更新為 2 。
• 操作員 B 完成了操作，也將版本號(hào)加一（ version=2 ）試圖向數(shù)據(jù)庫提交數(shù)據(jù)（ balance=￥80 ），但此時(shí)比對(duì)數(shù)據(jù)庫記錄版本時(shí)發(fā)現(xiàn)，操作員 B 提交的數(shù)據(jù)版本號(hào)為 2 ，數(shù)據(jù)庫記錄當(dāng)前版本也為 2 ，不滿足 “ 提交版本必須大于記錄當(dāng)前版本才能執(zhí)行更新 “ 的樂觀鎖策略，因此，操作員 B 的提交被駁回。
  這樣，就避免了操作員 B 用基于 version=1 的舊數(shù)據(jù)修改的結(jié)果覆蓋操作員A 的操作結(jié)果的可能。

2. CAS算法

即compare and swap（比較與交換），是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實(shí)現(xiàn)變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三個(gè)操作數(shù)

• 需要讀寫的內(nèi)存值 V
• 進(jìn)行比較的值 A
• 擬寫入的新值 B

當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 A時(shí)，CAS通過原子方式用新值B來更新V的值，否則不會(huì)執(zhí)行任何操作（比較和替換是一個(gè)原子操作）。一般情況下是一個(gè)自旋操作，即不斷的重試。

樂觀鎖的缺點(diǎn)

ABA 問題是樂觀鎖一個(gè)常見的問題

1 ABA 問題

如果一個(gè)變量V初次讀取的時(shí)候是A值，并且在準(zhǔn)備賦值的時(shí)候檢查到它仍然是A值，那我們就能說明它的值沒有被其他線程修改過了嗎？很明顯是不能的，因?yàn)樵谶@段時(shí)間它的值可能被改為其他值，然后又改回A，那CAS操作就會(huì)誤認(rèn)為它從來沒有被修改過。這個(gè)問題被稱為CAS操作的 "ABA"問題。

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 類就提供了此種能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

2 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大

自旋CAS（也就是不成功就一直循環(huán)執(zhí)行直到成功）如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。 如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。

3 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

CAS 只對(duì)單個(gè)共享變量有效，當(dāng)操作涉及跨多個(gè)共享變量時(shí) CAS 無效。但是從 JDK 1.5開始，提供了AtomicReference類來保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來進(jìn)行 CAS 操作.所以我們可以使用鎖或者利用AtomicReference類把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來操作。

CAS與synchronized的使用情景

• 簡(jiǎn)單的來說CAS適用于寫比較少的情況下（多讀場(chǎng)景，沖突一般較少），
• synchronized適用于寫比較多的情況下（多寫場(chǎng)景，沖突一般較多）
• 對(duì)于資源競(jìng)爭(zhēng)較少（線程沖突較輕）的情況，使用synchronized同步鎖進(jìn)行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)間的切換操作額外浪費(fèi)消耗cpu資源；而CAS基于硬件實(shí)現(xiàn)，不需要進(jìn)入內(nèi)核，不需要切換線程，操作自旋幾率較少，因此可以獲得更高的性能。
• 對(duì)于資源競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重（線程沖突嚴(yán)重）的情況，CAS自旋的概率會(huì)比較大，從而浪費(fèi)更多的CPU資源，效率低于synchronized。

補(bǔ)充： Java并發(fā)編程這個(gè)領(lǐng)域中synchronized關(guān)鍵字一直都是元老級(jí)的角色，很久之前很多人都會(huì)稱它為 “重量級(jí)鎖” 。但是，在JavaSE 1.6之后進(jìn)行了主要包括為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗而引入的 偏向鎖 和 輕量級(jí)鎖 以及其它各種優(yōu)化之后變得在某些情況下并不是那么重了。synchronized的底層實(shí)現(xiàn)主要依靠 Lock-Free 的隊(duì)列，基本思路是 自旋后阻塞，競(jìng)爭(zhēng)切換后繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。在線程沖突較少的情況下，可以獲得和CAS類似的性能；而線程沖突嚴(yán)重的情況下，性能遠(yuǎn)高于CAS。

文末彩蛋

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