乐观锁与悲观锁

简介: 【4月更文挑战第11天】乐观锁与悲观锁

源码分析说明如下:

  1. getAndIncrement()实现的自增操作是自旋CAS操作:在循环中进行compareAndSet,如果执行成功则退出,否则一直执行。
  2. 其中compareAndSet是CAS操作的核心,它是利用Unsafe对象实现的。
  3. Unsafe又是何许人也呢?Unsafe是用来帮助Java访问操作系统底层资源的类(如可以分配内存、释放内存),通过Unsafe,Java具有了底层操作能力,可以提升运行效率;强大的底层资源操作能力也带来了安全隐患(类的名字Unsafe也在提醒我们这一点),因此正常情况下用户无法使用。AtomicInteger在这里使用了Unsafe提供的CAS功能。
  4. valueOffset可以理解为value在内存中的偏移量,对应了CAS三个操作数(V/A/B)中的V;偏移量的获得也是通过Unsafe实现的。
  5. value域的volatile修饰符:Java并发编程要保证线程安全,需要保证原子性、可视性和有序性;CAS操作可以保证原子性,而volatile可以保证可视性和一定程度的有序性;在AtomicInteger中,volatile和CAS一起保证了线程安全性。关于volatile作用原理的说明涉及到Java内存模型(JMM),这里不详细展开。

说完了AtomicInteger,再说synchronized。synchronized通过对代码块加锁来保证线程安全:在同一时刻,只能有一个线程可以执行代码块中的代码。synchronized是一个重量级的操作,不仅是因为加锁需要消耗额外的资源,还因为线程状态的切换会涉及操作系统核心态和用户态的转换;不过随着JVM对锁进行的一系列优化(如自旋锁、轻量级锁、锁粗化等),synchronized的性能表现已经越来越好。

1.2.版本号机制

除了CAS,版本号机制也可以用来实现乐观锁。版本号机制的基本思路是在数据中增加一个字段version,表示该数据的版本号,每当数据被修改,版本号加1。当某个线程查询数据时,将该数据的版本号一起查出来;当该线程更新数据时,判断当前版本号与之前读取的版本号是否一致,如果一致才进行操作。

需要注意的是,这里使用了版本号作为判断数据变化的标记,实际上可以根据实际情况选用其他能够标记数据版本的字段,如时间戳等。

下面以“更新玩家金币数”为例(数据库为MySQL,其他数据库同理),看看悲观锁和版本号机制是如何应对并发问题的。

考虑这样一种场景:游戏系统需要更新玩家的金币数,更新后的金币数依赖于当前状态(如金币数、等级等),因此更新前需要先查询玩家当前状态。

下面的实现方式,没有进行任何线程安全方面的保护。如果有其他线程在query和update之间更新了玩家的信息,会导致玩家金币数的不准确。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根据player_id查询玩家信息
Player player = query("select coins, level from player where player_id = {0}", playerId);
//根据玩家当前信息及其他信息,计算新的金币数
Long newCoins = ……;
//更新金币数
update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}

为了避免这个问题,悲观锁通过加锁解决这个问题,代码如下所示。在查询玩家信息时,使用select …… for update进行查询;该查询语句会为该玩家数据加上排它锁,直到事务提交或回滚时才会释放排它锁;在此期间,如果其他线程试图更新该玩家信息或者执行select for update,会被阻塞。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根据player_id查询玩家信息(加排它锁)
Player player = queryForUpdate("select coins, level from player where player_id = {0} for update", playerId);
//根据玩家当前信息及其他信息,计算新的金币数
Long newCoins = ……;
//更新金币数
update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}

版本号机制则是另一种思路,它为玩家信息增加一个字段:version。在初次查询玩家信息时,同时查询出version信息;在执行update操作时,校验version是否发生了变化,如果version变化,则不进行更新。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根据player_id查询玩家信息,包含version信息
Player player = query("select coins, level, version from player where player_id = {0}", playerId);
//根据玩家当前信息及其他信息,计算新的金币数
Long newCoins = ……;
//更新金币数,条件中增加对version的校验
update("update player set coins = {0} where player_id = {1} and version = {2}", newCoins, playerId, player.version);
}

三、优缺点和适用场景

乐观锁和悲观锁并没有优劣之分,它们有各自适合的场景;下面从两个方面进行说明。

3.1 功能限制

与悲观锁相比,乐观锁适用的场景受到了更多的限制,无论是CAS还是版本号机制。

例如,CAS只能保证单个变量操作的原子性,当涉及到多个变量时,CAS是无能为力的,而synchronized则可以通过对整个代码块加锁来处理。再比如版本号机制,如果query的时候是针对表1,而update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。

3.2 竞争激烈程度

如果悲观锁和乐观锁都可以使用,那么选择就要考虑竞争的激烈程度:

● 当竞争不激烈 (出现并发冲突的概率小)时,乐观锁更有优势,因为悲观锁会锁住代码块或数据,其他线程无法同时访问,影响并发,而且加锁和释放锁都需要消耗额外的资源。
● 当竞争激烈(出现并发冲突的概率大)时,悲观锁更有优势,因为乐观锁在执行更新时频繁失败,需要不断重试,浪费CPU资源。

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