[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:

  • 在并发访问情况表下,导致 会总出 脏读、不可重复读和幻读等读疑问,为了应对哪此疑问,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并肩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,都是亲戚亲戚.我歌词 定义出来的概念,都都还可不可不可否认为是三种思想。实在不仅仅是关系型数据库系统饱含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等都是同类的概念。
  • 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居于的疑问等。

并发控制

在计算机科学,很糙是任务管理器池池设计、操作系统、多处置机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作导致 的错误的三种机制。

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并肩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疑问:

现有两处火车票售票点,并肩读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点并肩卖出一张车票,并肩修改余额为 X -1写回数据库,原本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。 产生你这人 情况表的导致 是导致 有一2个 事务读入同一数据并并肩修改,其饱含一2个 事务提交的结果破坏了原本事务提交的结果,导致 其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处置的就是同类疑问。

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

当并发事务并肩访问有一2个 资源时,有导致 导致 数据不一致,时候都都还可不可不可否三种机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁就是其中的三种机制。

在计算机科学中,锁是在执行任务管理器池池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、按加锁方式划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用方式划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的详细性,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形态,如表、索引等的形态定义。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

常用的锁机制有三种:

1、悲观锁:假定会居于并发冲突,屏蔽一切导致 违反数据详细性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会导致 其它所有都都还可不可不可否锁的任务管理器池挂起,停留持有锁的任务管理器池释放锁。

2、乐观锁:假设不多再居于并发冲突,每次不加锁就是假设如此冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查与非 违反数据详细性。导致 导致 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。为数据增加有一2个 版本标识,比如在基于数据库表的版本处置方案中,一般是通过为数据库表增加有一2个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号并肩读出,时候更新时,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,导致 提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,时候认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是如此处置次要脏读的疑问,同类ABA疑问(下面会讲到)。

在实际生产环境后面 ,导致 并发量不大且不允许脏读,都都还可不可不可否使用悲观锁处置并发疑问;但导致 系统的并发非常大得话,悲观锁定会带来非常大的性能疑问,什么都有有有亲戚亲戚.我歌词 就要选折 乐观锁定的方式。

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(叫安“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是三种并发控制的方式。它都都还可不可不可否阻止有一2个 事务以影响时候 用户的方式来修改数据。导致 有一2个 事务执行的操作都某行数据应用了锁,那如此当你这人 事务把锁释放,时候 事务才都都还可不可不可否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,以及居于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(包括本系统当前的时候 事务,以及来自内部管理系统的事务处置)修改持保守态度(悲观),时候,在整个数据处置过程中,将数据居于锁定情况表。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也如此数据库层提供的锁机制都还可不可不可否真正保证数据访问的排他性,时候,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内部管理系统不多再修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

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

导致 加锁失败,说明该记录正在被修改,如此当前查询导致 要停留导致 抛出异常。 具体响应方式由开发者根据实际都都还可不可不可否决定。

导致 成功加锁,如此就都都还可不可不可否对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间导致 有时候 对该记录做修改或加排他锁的操作,都是停留亲戚亲戚.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.我歌词 都都还可不可不可否关闭mysql数据库的自动提交属性,导致 MySQL默认使用autocommit模式,也就是说,当你执行有一2个 更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就都都还可不可不可否)
//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;

后面 的查询得话中,亲戚亲戚.我歌词 使用了select…for update的方式,原本就通过开启排他锁的方式实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被亲戚亲戚.我歌词 锁定了,其它的事务都都还可不可不可否等本次事务提交时候都还可不可不可否执行。原本亲戚亲戚.我歌词 都都还可不可不可否保证当前的数据不多再被其它事务修改。

后面 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.我歌词 都都还可不可不可否注意时候 锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都是基于索引的,导致 一条SQL得话用如此索引是不多再使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点都都还可不可不可否注意。

优点与不足

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据处置的安全提供了保证。时候在效率单位方面,处置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导致 ;另外,在只读型事务处置中导致 不多再产生冲突,也没必要使用锁,原本做如此增加系统负载;还有会降低了并行性,有一2个 事务导致 锁定了某行数据,时候 事务就都都还可不可不可否停留该事务处置完才都都还可不可不可否处置那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫安“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是三种并发控制的方式。它假设多用户并发的事务在处置时不多再彼此互相影响,各事务都都还可不可不可否在不产生锁的情况表下处置所有人影响的那次要数据。在提交数据更新时候,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有如此时候 事务又修改了该数据。导致 时候 事务有更新得话,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情况表下不多再造成冲突,什么都有有有在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据的冲突与非 进行检测,导致 发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎样才能去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行处置的时候,乐观锁暂且会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的方式就是记录数据版本。

数据版本,为数据增加的有一2个 版本标识。当读取数据时,将版本标识的值并肩读出,数据每更新一次,并肩对版本标识进行更新。当亲戚亲戚.我歌词 提交更新的时候,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,导致 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,时候认为是过期数据。

实现数据版本有三种方式,第三种是使用版本号,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,都都还可不可不可否在数据初始化时指定有一2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都是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};

优点与不足

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,时候尽导致 直接做下去,直到提交的时候才去锁定,什么都有有有不多再产生任何锁和死锁。但导致 直接简单如此做,还是有导致 会遇到不可预期的结果,同类有一2个 事务都读取了数据库的某一行,经过修改时候写回数据库,这时就遇到了疑问。

三、CAS详解

在说CAS时候,亲戚亲戚.我歌词 不得不提一下Java的任务管理器池安全疑问。

任务管理器池安全:

众所周知,Java是任务管理器池池的。时候,Java对任务管理器池池的支持实在是一把双刃剑。一旦涉及到多个任务管理器池操作共享资源的情况表时,处置不好就导致 产生任务管理器池安全疑问。任务管理器池安全性导致 是非常错综复杂的,在如此充裕的同步的情况表下,多个任务管理器池中的操作执行顺序是不可预测的。

Java后面 进行任务管理器池池通信的主要方式就是共享内存的方式,共享内存主要的关注点有有一2个 :可见性和有序性。加进去去复合操作的原子性,亲戚亲戚.我歌词 都都还可不可不可否认为Java的任务管理器池安全性疑问主要关注点有2个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)处置了可见性和有序性的疑问,而锁处置了原子性的疑问。这里不再详细介绍JMM及锁的时候 相关知识。时候亲戚亲戚.我歌词 要讨论有一2个 疑问,那就是锁到底是都是有利无弊的?

3.1 锁居于的疑问

Java在JDK1.5时候都是靠synchronized关键字保证同步的,你这人 通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况表的访问,都都还可不可不可否确保无论哪个任务管理器池持有共享变量的锁,都采用独占的方式来访问哪此变量。独占锁实在就是三种悲观锁,什么都有有有都都还可不可不可否说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制居于以下疑问:

1) 在任务管理器池池竞争下,加锁、释放锁会导致 比较多的上下文切换和调度延时,引起性能疑问。

2) 有一2个 任务管理器池持有锁会导致 其它所有都都还可不可不可否此锁的任务管理器池挂起。

3) 导致 有一2个 优先级高的任务管理器池停留有一2个 优先级低的任务管理器池释放锁会导致 优先级倒置,引起性能风险。

而原本更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是,每次不加锁就是假设如此冲突而去完成某项操作,导致 导致 冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是有一2个 更轻量级的同步机制,导致 在使用哪此变量时不多再居于上下文切换和任务管理器池调度等操作,时候volatile如此处置原子性疑问,时候当有一2个 变量依赖旧值时就如此使用volatile变量。时候对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)实在是三种思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下不多再造成冲突,什么都有有有在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据的冲突与非 进行检测,导致 发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎样才能去做。

后面 提到的乐观锁的概念中实在导致 阐述了他的具体实现细节:

主要就是有一2个 步骤:冲突检测数据更新

实在现方式有三种比较典型的就是Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个任务管理器池尝试使用CAS并肩更新同有一2个 变量时,如此其饱含一2个 任务管理器池能更新变量的值,而其它任务管理器池都失败,失败的任务管理器池暂且会被挂起,就是被告知这次竞争中失败,并都都还可不可不可否再次尝试。

CAS 操作包饱含一2个 操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。导致 内存位置的值与预期原值相匹配,如此处置器会自动将该位置值更新为新值。时候,处置器不做任何操作。无论哪种情况表,它都是在 CAS 指令时候返回该位置的值。(在 CAS 的时候 特殊情况表下将仅返回 CAS 与非 成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该饱含值 A;导致 饱含该值,则将 B 放满你这人 位置;时候,暂且更改该位置,只问你你这人 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,乐观锁是三种思想。CAS是你这人 思想的三种实现方式。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5时候Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是三种独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)就是建立在CAS之上的。相对于对于synchronized你这人 阻塞算法,CAS是非阻塞算法的三种常见实现。什么都有有有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,而不多再害怕时候 任务管理器池并肩修改变量,导致 导致 时候 任务管理器池修改变量,如此CAS会检测它(并失败),算法都都还可不可不可否对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪此代替了锁定。

亲戚亲戚.我歌词 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在如此锁的情况表下是怎样才能保证任务管理器池安全的。主要理解getAndIncrement方式,该方式的作用大概 ++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都都还可不可不可否借助volatile原语,保证任务管理器池间的数据是可见的(共享的)。原本在获取变量的值的时候都还可不可不可否直接读取。时候来看看++i是怎样才能会做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据时候将此数据和+1后的结果进行CAS操作,导致 成功就返回结果,时候重试直到成功为止。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);
 }

整体的过程就是原本子的,利用CPU的CAS指令,并肩借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用同类的形态完成的。

而整个J.U.C都是建立在CAS之上的,时候对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会导致 “ABA疑问”:

ABA疑问:

aba实际上是乐观锁无法处置脏数据读取的三种体现。CAS算法实现有一2个 重要前提都都还可不可不可否取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,如此在你这人 时间差类会导致 数据的变化。

比如说有一2个 任务管理器池one从内存位置V中取出A,这时候原本任务管理器池two也从内存中取出A,时候two进行了时候 操作变成了B,时候two又将V位置的数据变成A,这时候任务管理器池one进行CAS操作发现内存中仍然是A,时候one操作成功。尽管任务管理器池one的CAS操作成功,时候不代表你这人 过程就是如此疑问的。

次要乐观锁的实现是通过版本号(version)的方式来处置ABA疑问,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都是带上有一2个 版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就都都还可不可不可否执行修改操作并对版本号执行+1操作,时候就执行失败。导致 每次操作的版本号都是随之增加,什么都有有有不多再总出 ABA疑问,导致 版本号只会增加不多再减少。

 导致 链表的头在变化了两次后恢复了原值,时候不代表链表就如此变化。时候AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的有一2个 <Object,Boolean>的对,都都还可不可不可否原子的修改Object导致 Boolean的值,你这人 数据形态在时候 缓存导致 情况表描述中比较有用。你这人 形态在单个导致 并肩修改Object/Boolean的时候都都还可不可不可与非 效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护饱含整数“标志”的对象引用,都都还可不可不可否用原子方式对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是三种同类<Object,int>的数据形态,实在就是对对象(引用)的有一2个 并发计数(标记版本戳stamp)。时候与AtomicInteger 不同的是,此数据形态都都还可不可不可否携饱含一2个 对象引用(Object),时候都都还可不可不可否对此对象和计数并肩进行原子操作。

REFERENCE:

挂接自以下博客:

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/181000954