[数据库锁机制] 深入理解乐观锁、悲观锁以及CAS乐观锁的实现机制原理分析

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前言:

  • 在并发访问清况 下,因此会突然出现脏读、不可重复读和幻读等读问题报告 报告 ,为了应对哪此问题报告 报告 ,主流数据库都提供了锁机制,并引入了事务隔离级别的概念。数据库管理系统(DBMS)中的并发控制的任务是确保在多个事务同時 存取数据库中同一数据时不破坏事务的隔离性和统一性以及数据库的统一性。
  • 乐观并发控制(乐观锁)和悲观并发控制(悲观锁)是并发控制主要采用的技术手段。无论是悲观锁还是乐观锁,删剪都会亲戚亲戚亲戚.我歌词 定义出来的概念,还可不还都都可以认为是四种 生活思想。实在不仅仅是关系型数据库系统包含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等删剪都会类似的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍哪此是CAS、CAS的应用以及CAS占据 的问题报告 报告 等。

并发控制

在计算机科学,有点儿是系统多多线程 设计、操作系统、多解决机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作原困的错误的四种 生活机制。

数据库管理系统(DBMS)中的并发控制的任务是确保在多个事务同時 存取数据库中同一数据时不破坏事务的隔离性和统一性以及数据库的统一性。下面举例说明并发操作带来的数据不一致性问题报告 报告 :

现有两处火车票售票点,同時 读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点同時 卖出一张车票,同時 修改余额为 X -1写回数据库,越来越 就造成了实际卖出两张火车票而数据库中的记录却只少了一张。 产生你这俩清况 的原困是因此另另好几个 事务读入同一数据并同時 修改,其中另另好几个 事务提交的结果破坏了越来越 事务提交的结果,原困其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要解决的要是类似问题报告 报告 。

封锁、时间戳、乐观并发控制(乐观锁)和悲观并发控制(悲观锁)是并发控制主要采用的技术手段。

一、数据库的锁

当并发事务同時 访问另另好几个 资源时,有因此原困数据不一致,因此可不还都都可以四种 生活机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁要是其中的四种 生活机制。

在计算机科学中,锁是在执行多系统多多线程 时用于强行限制资源访问的同步机制,即用于在并发控制中保证对互斥要求的满足。

锁的分类(oracle)

一、按操作划分,可分为DML锁DDL锁

二、按锁的粒度划分,可分为表级锁行级锁页级锁(mysql)

三、按锁级别划分,可分为共享锁排他锁

四、按加锁最好的办法划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用最好的办法划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的删剪性,其中包括行级锁(Row Locks (TX锁))、表级锁(table lock(TM锁))。

DDL锁(dictionary locks,数据字典锁),用于保护数据库对象的特性,如表、索引等的特性定义。其中包排他DDL锁(Exclusive DDL lock)、共享DDL锁(Share DDL lock)、可中断解析锁(Breakable parse locks)

1.1 锁机制

常用的锁机制有四种 生活:

1、悲观锁:假定会占据 并发冲突,屏蔽一切因此违反数据删剪性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会原困其它所有可不还都都可以锁的系统多多线程 挂起,等待的图片 持有锁的系统多多线程 释放锁。

2、乐观锁:假设我太满 占据 并发冲突,每次不加锁要是假设越来越冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查不是违反数据删剪性。因此因此冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加另另好几个 版本标识,比如在基于数据库表的版本解决方案中,一般是通过为数据库表增加另另好几个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号同時 读出,以后更新时,对此版本号加一。此时,将提交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对,因此提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,因此认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是不到解决要素脏读的问题报告 报告 ,类似ABA问题报告 报告 (下面会讲到)。

在实际生产环境上边,因此并发量不大且不允许脏读,还可不还都都可以使用悲观锁解决并发问题报告 报告 ;但因此系统的并发非常大一段话,悲观锁定会带来非常大的性能问题报告 报告 ,要是亲戚亲戚亲戚.我歌词 就要选用乐观锁定的最好的办法。

二、悲观锁与乐观锁详解

2.1 悲观锁

在关系数据库管理系统里,悲观并发控制(叫兰“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是四种 生活并发控制的最好的办法。它还可不还都都可以阻止另另好几个 事务以影响或多或少用户的最好的办法来修改数据。因此另另好几个 事务执行的操作都某行数据应用了锁,那不到当你这俩事务把锁释放,或多或少事务才我太满 执行与该锁冲突的操作。

悲观并发控制主要用于数据争用激烈的环境,以及占据 并发冲突时使用锁保护数据的成本要低于回滚事务的成本的环境中。

悲观锁,正如其名,它指的是对数据被外界(包括本系统当前的或多或少事务,以及来自内部内部结构系统的事务解决)修改持保守态度(悲观),因此,在整个数据解决过程中,将数据占据 锁定清况 。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (要是到数据库层提供的锁机制我太满 真正保证数据访问的排他性,因此,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内部内部结构系统我太满 修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)。

因此加锁失败,说明该记录正在被修改,越来越当前查询因此要等待的图片 因此抛出异常。 具体响应最好的办法由开发者根据实际可不还都都可以决定。

因此成功加锁,越来越就还可不还都都可以对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间因此有或多或少对该记录做修改或加排他锁的操作,都会等待的图片 亲戚亲戚亲戚.我歌词 解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,亲戚亲戚亲戚.我歌词 可不还都都可以关闭mysql数据库的自动提交属性,因此MySQL默认使用autocommit模式,也却一段话,当你执行另另好几个 更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.现在开始事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就还可不还都都可以)
//1.查询出商品信息
select status from t_goods where id=1 for update;
//2.根据商品信息生成订单
insert into t_orders (id,goods_id) values (null,1);
//3.修改商品status为2
update t_goods set status=2;
//4.提交事务
commit;/commit work;

上边的查询一段话中,亲戚亲戚亲戚.我歌词 使用了select…for update的最好的办法,越来越 就通过开启排他锁的最好的办法实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被亲戚亲戚亲戚.我歌词 锁定了,其它的事务可不还都都可以等本次事务提交以后我太满 执行。越来越 亲戚亲戚亲戚.我歌词 还可不还都都可以保证当前的数据我太满 被其它事务修改。

上边亲戚亲戚亲戚.我歌词 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过亲戚亲戚亲戚.我歌词 可不还都都可以注意或多或少锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁删剪都会基于索引的,因此第第一根SQL一段话用不到索引是我太满 使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点可不还都都可以注意。

优点与欠缺

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据解决的安全提供了保证。因此在下行速率 方面,解决加锁的机制会让数据库产生额外的开销,还有增加产生死锁的因此;另外,在只读型事务解决中因此我太满 产生冲突,也没必要使用锁,越来越 做不到增加系统负载;还有会降低了并行性,另另好几个 事务因此锁定了某行数据,或多或少事务就可不还都都可以等待的图片 该事务解决完才还可不还都都可以解决那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫兰“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是四种 生活并发控制的最好的办法。它假设多用户并发的事务在解决时我太满 彼此互相影响,各事务我太满 在不产生锁的清况 下解决个人影响的那要素数据。在提交数据更新以后,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有越来越或多或少事务又修改了该数据。因此或多或少事务有更新一段话,正在提交的事务会进行回滚。乐观事务控制最早是由孔祥重(H.T.Kung)教授提出。

乐观锁( Optimistic Locking ) 相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般清况 下我太满 造成冲突,要是在数据进行提交更新的以后,才会正式对数据的冲突不是进行检测,因此发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如何去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行解决的以后,乐观锁未必会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的最好的办法要是记录数据版本。

数据版本,为数据增加的另另好几个 版本标识。当读取数据时,将版本标识的值同時 读出,数据每更新一次,同時 对版本标识进行更新。当亲戚亲戚亲戚.我歌词 提交更新的以后,判断数据库表对应记录的当前版本信息与第一次取出来的版本标识进行比对,因此数据库表当前版本号与第一次取出来的版本标识值相等,则予以更新,因此认为是过期数据。

实现数据版本有四种 生活最好的办法,第四种 生活是使用版本号,第二种是使用时间戳。

使用版本号实现乐观锁

使用版本号时,还可不还都都可以在数据初始化时指定另另好几个 版本号,每次对数据的更新操作都对版本号执行+1操作。并判断当前版本号是删剪都会该数据的最新的版本号。

1.查询出商品信息
select (status,status,version) from t_goods where id=#{id}
2.根据商品信息生成订单
3.修改商品status为2
update t_goods 
set status=2,version=version+1
where id=#{id} and version=#{version};

优点与欠缺

乐观并发控制相信事务之间的数据竞争(data race)的概率是比较小的,因此尽因此直接做下去,直到提交的以后才去锁定,要是我太满 产生任何锁和死锁。但因此直接简单越来越做,还是有因此会遇到不可预期的结果,类似另另好几个 事务都读取了数据库的某一行,经过修改以后写回数据库,这时就遇到了问题报告 报告 。

三、CAS详解

在说CAS以后,亲戚亲戚亲戚.我歌词 不得不提一下Java的系统多多线程 安全问题报告 报告 。

系统多多线程 安全:

众所周知,Java是多系统多多线程 的。因此,Java对多系统多多线程 的支持实在是一把双刃剑。一旦涉及到多个系统多多线程 操作共享资源的清况 时,解决不好就因此产生系统多多线程 安全问题报告 报告 。系统多多线程 安全性因此是非常多样化的,在越来越宽裕的同步的清况 下,多个系统多多线程 中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上边进行多系统多多线程 通信的主要最好的办法要是共享内存的最好的办法,共享内存主要的关注点有另另好几个 :可见性和有序性。加上复合操作的原子性,亲戚亲戚亲戚.我歌词 还可不还都都可以认为Java的系统多多线程 安全性问题报告 报告 主要关注点有好几个 :可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)解决了可见性和有序性的问题报告 报告 ,而锁解决了原子性的问题报告 报告 。这里不再删剪介绍JMM及锁的或多或少相关知识。因此亲戚亲戚亲戚.我歌词 要讨论另另好几个 问题报告 报告 ,那要是锁到底是删剪都会有利无弊的?

3.1 锁占据 的问题报告 报告

Java在JDK1.5以后删剪都会靠synchronized关键字保证同步的,你这俩通过使用一致的锁定协议来协调对共享清况 的访问,还可不还都都可以确保无论哪个系统多多线程 持有共享变量的锁,都采用独占的最好的办法来访问哪此变量。独占锁实在要是四种 生活悲观锁,要是还可不还都都可以说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制占据 以下问题报告 报告 :

1) 在多系统多多线程 竞争下,加锁、释放锁会原困比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题报告 报告 。

2) 另另好几个 系统多多线程 持有锁会原困其它所有可不还都都可以此锁的系统多多线程 挂起。

3) 因此另另好几个 优先级高的系统多多线程 等待的图片 另另好几个 优先级低的系统多多线程 释放锁会原困优先级倒置,引起性能风险。

而越来越 更加有效的锁要是乐观锁。所谓乐观锁要是,每次不加锁要是假设越来越冲突而去完成某项操作,因此因此冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是另另好几个 更轻量级的同步机制,因此在使用哪此变量时我太满 占据 上下文切换和系统多多线程 调度等操作,因此volatile不到解决原子性问题报告 报告 ,因此当另另好几个 变量依赖旧值时就不到使用volatile变量。因此对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)实在是四种 生活思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般清况 下我太满 造成冲突,要是在数据进行提交更新的以后,才会正式对数据的冲突不是进行检测,因此发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如何去做。

上边提到的乐观锁的概念中实在因此阐述了他的具体实现细节:

主要要是另另好几个 步骤:冲突检测数据更新

实在现最好的办法四种 生活生活比较典型的要是Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个系统多多线程 尝试使用CAS同時 更新同另另好几个 变量时,不到其中另另好几个 系统多多线程 能更新变量的值,而其它系统多多线程 都失败,失败的系统多多线程 未必会被挂起,要是被告知这次竞争中失败,并还可不还都都可以再次尝试。

CAS 操作包含另另好几个 操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。因此内存位置的值与预期原值相匹配,越来越解决器会自动将该位置值更新为新值。因此,解决器不做任何操作。无论哪种清况 ,它都会在 CAS 指令以后返回该位置的值。(在 CAS 的或多或少特殊清况 下将仅返回 CAS 不是成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A;因此包含该值,则将 B 放到去去你这俩位置;因此,未必更改该位置,只我想知道你这俩位置现在的值即可。”这实在和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

这里再强调一下,乐观锁是四种 生活思想。CAS是你这俩思想的四种 生活实现最好的办法。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5以后Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是四种 生活独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)要是建立在CAS之上的。相对于对于synchronized你这俩阻塞算法,CAS是非阻塞算法的四种 生活常见实现。要是J.U.C在性能上有了很大的提升。

现代的CPU提供了特殊的指令,允许算法执行读-修改-写操作,而我太满 害怕或多或少系统多多线程 同時 修改变量,因此因此或多或少系统多多线程 修改变量,越来越CAS会检测它(并失败),算法还可不还都都可以对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪此代替了锁定。

亲戚亲戚亲戚.我歌词 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在越来越锁的清况 下是如何保证系统多多线程 安全的。主要理解getAndIncrement最好的办法,该最好的办法的作用要花费 ++i 操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    
    private volatile int value;
    
    public final int get() {
        return value;
    }
    
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
    
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

字段value可不还都都可以借助volatile原语,保证系统多多线程 间的数据是可见的(共享的)。越来越 在获取变量的值的以后我太满 直接读取。因此来看看++i是如何做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据因此将此数据和+1后的结果进行CAS操作,因此成功就返回结果,因此重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 }

整体的过程要是越来越 子的,利用CPU的CAS指令,同時 借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作删剪都会利用类似的特性完成的。

而整个J.U.C删剪都会建立在CAS之上的,因此对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会原困“ABA问题报告 报告 ”:

ABA问题报告 报告 :

aba实际上是乐观锁无法解决脏数据读取的四种 生活体现。CAS算法实现另另好几个 重要前提可不还都都可以取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,越来越在你这俩时间差类会原困数据的变化。

比如说另另好几个 系统多多线程 one从内存位置V中取出A,这以后越来越 系统多多线程 two也从内存中取出A,因此two进行了或多或少操作变成了B,因此two又将V位置的数据变成A,这以后系统多多线程 one进行CAS操作发现内存中仍然是A,因此one操作成功。尽管系统多多线程 one的CAS操作成功,因此不代表你这俩过程要是越来越问题报告 报告 的。

要素乐观锁的实现是通过版本号(version)的最好的办法来解决ABA问题报告 报告 ,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都会带上另另好几个 版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就还可不还都都可以执行修改操作并对版本号执行+1操作,因此就执行失败。因此每次操作的版本号都会随之增加,要是我太满 突然出现ABA问题报告 报告 ,因此版本号只会增加我太满 减少。

 因此链表的头在变化了两次后恢复了原值,因此不代表链表就越来越变化。因此AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的另另好几个 <Object,Boolean>的对,还可不还都都可以原子的修改Object因此Boolean的值,你这俩数据特性在或多或少缓存因此清况 描述中比较有用。你这俩特性在单个因此同時 修改Object/Boolean的以后我太满 有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护包含整数“标志”的对象引用,还可不还都都可以用原子最好的办法对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是四种 生活类似<Object,int>的数据特性,实在要是对对象(引用)的另另好几个 并发计数(标记版本戳stamp)。因此与AtomicInteger 不同的是,此数据特性还可不还都都可以携带另另好几个 对象引用(Object),因此我太满 对此对象和计数同時 进行原子操作。

REFERENCE:

埋点自以下博客:

1.  http://www.hollischuang.com/archives/934

2.  http://www.hollischuang.com/archives/1537

3.  http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3546347.html

4.  http://www.digpage.com/lock.html

5.  https://chenzhou123520.iteye.com/blog/1863407

6.  https://chenzhou123520.iteye.com/blog/18400954