[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:

  • 在并发访问状况下,可能性会总出 脏读、不可重复读和幻读等读问题,为了应对哪此问题,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一起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,就有這個 人定义出来的概念,都能否 认为是两种 思想。虽然不仅仅是关系型数据库系统含有乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等就有类似于的概念。
  • 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 的问题等。

并发控制

在计算机科学,怪怪的是多线程 设计、操作系统、多除理机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作愿因的错误的两种 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一起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:

现有两处火车票售票点,一起读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点一起卖出一张车票,一起修改余额为 X -1写回数据库,那我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。 产生這個 状况的愿因是可能性那我事务读入同一数据并一起修改,其中那我事务提交的结果破坏了那我事务提交的结果,愿因其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要除理的只是 类似于问题。

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

当并发事务一起访问那我资源时,有可能性愿因数据不一致,为什么么让需用两种 机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁只是 其中的两种 机制。

在计算机科学中,锁是在执行多线程 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),用于保护数据的完整,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外部,如表、索引等的外部定义。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

常用的锁机制有两种 :

1、悲观锁:假定会占据 并发冲突,屏蔽一切可能性违反数据完整的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会愿因其它所有需用锁的多线程 挂起,听候持有锁的多线程 释放锁。

2、乐观锁:假设不让占据 并发冲突,每次不加锁只是 假设没办法 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是否是 违反数据完整。可能性可能性冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加那我版本标识,比如在基于数据库表的版本除理方案中,一般是通过为数据库表增加那我 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一起读出,事先更新时,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,可能性提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,为什么么让认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是只能除理部分脏读的问题,类似于ABA问题(下面会讲到)。

在实际生产环境上端,可能性并发量不大且不允许脏读,都能否 使用悲观锁除理并发问题;但可能性系统的并发非常大话语,悲观锁定会带来非常大的性能问题,什么都這個 人就要选折 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(全名是“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是两种 并发控制的方式 。它都能否 阻止那我事务以影响這個 用户的方式 来修改数据。可能性那我事务执行的操作都某行数据应用了锁,那只能当這個 事务把锁释放,這個 事务才要能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(包括本系统当前的這個 事务,以及来自外部系统的事务除理)修改持保守态度(悲观),为什么么让,在整个数据除理过程中,将数据占据 锁定状况。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也只能数据库层提供的锁机制要能真正保证数据访问的排他性,为什么么让,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证外部系统不让修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

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

可能性加锁失败,说明该记录正在被修改,没办法 当前查询可能性要听候可能性抛出异常。 具体响应方式 由开发者根据实际需用决定。

可能性成功加锁,没办法 就都能否 对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间可能性有這個 对该记录做修改或加排他锁的操作,就有听候這個 人解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,這個 人需用关闭mysql数据库的自动提交属性,可能性MySQL默认使用autocommit模式,也只是 说,当你执行那我更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.事先刚结速事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就都能否

)
//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;

上端的查询话语中,這個 人使用了select…for update的方式 ,那我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 那条数据就被這個 人锁定了,其它的事务需用等本次事务提交事先要能执行。那我這個 人都能否 保证当前的数据不让被其它事务修改。

上端這個 人提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过這個 人需用注意這個 锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁就有基于索引的,可能性根小SQL话语用只能索引是不让使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点需用注意。

优点与不足英文

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据除理的安全提供了保证。为什么么让在速率方面,除理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可能性;另外,在只读型事务除理中可能性不让产生冲突,也没必要使用锁,那我做只能增加系统负载;还有会降低了并行性,那我事务可能性锁定了某行数据,這個 事务就需用听候该事务除理完才都能否 除理那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(全名是“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是两种 并发控制的方式 。它假设多用户并发的事务在除理时不让彼此互相影响,各事务要能在不产生锁的状况下除理其他人影响的那部分数据。在提交数据更新事先,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没办法 這個 事务又修改了该数据。可能性這個 事务有更新话语,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状况下不让造成冲突,什么都在数据进行提交更新的事先,才会正式对数据的冲突是否是 进行检测,可能性发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如保去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行除理的事先,乐观锁无须会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的方式 只是 记录数据版本。

数据版本,为数据增加的那我版本标识。当读取数据时,将版本标识的值一起读出,数据每更新一次,一起对版本标识进行更新。当這個 人提交更新的事先,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,可能性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,为什么么让认为是过期数据。

实现数据版本有两种 方式 ,第两种 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,都能否 在数据初始化时指定那我版本号,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就有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};

优点与不足英文

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,为什么么让尽可能性直接做下去,直到提交的事先才去锁定,什么都不让产生任何锁和死锁。但可能性直接简单没办法 做,还是有可能性会遇到不可预期的结果,类似于那我事务都读取了数据库的某一行,经过修改事先写回数据库,这时就遇到了问题。

三、CAS详解

在说CAS事先,這個 人不得不提一下Java的多线程 安全问题。

多线程 安全:

众所周知,Java是多线程 的。为什么么让,Java对多线程 的支持虽然是一把双刃剑。一旦涉及到多个多线程 操作共享资源的状况时,除理不好就可能性产生多线程 安全问题。多线程 安全性可能性是非常复杂性的,在没办法 雄厚的同步的状况下,多个多线程 中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上端进行多线程 通信的主要方式 只是 共享内存的方式 ,共享内存主要的关注点有那我:可见性和有序性。加在复合操作的原子性,這個 人都能否 认为Java的多线程 安全性问题主要关注点有2个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)除理了可见性和有序性的问题,而锁除理了原子性的问题。这里不再完整介绍JMM及锁的這個 相关知识。为什么么让這個 人要讨论那我问题,那只是 锁到底是就有有利无弊的?

3.1 锁占据 的问题

Java在JDK1.5事先就有靠synchronized关键字保证同步的,這個 通过使用一致的锁定协议来协调对共享状况的访问,都能否 确保无论哪个多线程 持有共享变量的锁,都采用独占的方式 来访问哪此变量。独占锁虽然只是 两种 悲观锁,什么都都能否 说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制占据 以下问题:

1) 在多线程 竞争下,加锁、释放锁会愿因比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问题。

2) 那我多线程 持有锁会愿因其它所有需用此锁的多线程 挂起。

3) 可能性那我优先级高的多线程 听候那我优先级低的多线程 释放锁会愿因优先级倒置,引起性能风险。

而那我更加有效的锁只是 乐观锁。所谓乐观锁只是 ,每次不加锁只是 假设没办法 冲突而去完成某项操作,可能性可能性冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是那我更轻量级的同步机制,可能性在使用哪此变量时不让占据 上下文切换和多线程 调度等操作,为什么么让volatile只能除理原子性问题,为什么么让当那我变量依赖旧值时就只能使用volatile变量。为什么么让对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)虽然是两种 思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般状况下不让造成冲突,什么都在数据进行提交更新的事先,才会正式对数据的冲突是否是 进行检测,可能性发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如保去做。

上端提到的乐观锁的概念中虽然可能性阐述了他的具体实现细节:

主要只是 那我步骤:冲突检测数据更新

虽然现方式 有两种 比较典型的只是 Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个多线程 尝试使用CAS一起更新同那我变量时,只能其中那我多线程 能更新变量的值,而其它多线程 都失败,失败的多线程 无须会被挂起,只是 被告知这次竞争中失败,并都能否 再次尝试。

CAS 操作含有那我操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。可能性内存位置的值与预期原值相匹配,没办法 除理器会自动将该位置值更新为新值。为什么么让,除理器不做任何操作。无论哪种状况,它就有在 CAS 指令事先返回该位置的值。(在 CAS 的這個 特殊状况下将仅返回 CAS 是否是 成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该含有值 A;可能性含有该值,则将 B 放上這個 位置;为什么么让,无须更改该位置,只真不知道這個 位置现在的值即可。”这虽然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,乐观锁是两种 思想。CAS是這個 思想的两种 实现方式 。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5事先Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是两种 独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)只是 建立在CAS之上的。相对于对于synchronized這個 阻塞算法,CAS是非阻塞算法的两种 常见实现。什么都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,而不让害怕這個 多线程 一起修改变量,可能性可能性這個 多线程 修改变量,没办法 CAS会检测它(并失败),算法都能否 对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪此代替了锁定。

這個 人以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在没办法 锁的状况下是如保保证多线程 安全的。主要理解getAndIncrement方式 ,该方式 的作用离米  ++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需用借助volatile原语,保证多线程 间的数据是可见的(共享的)。那我在获取变量的值的事先要能直接读取。为什么么让来看看++i是为什么做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据为什么么让将此数据和+1后的结果进行CAS操作,可能性成功就返回结果,为什么么让重试直到成功为止。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);
 }

整体的过程只是 那我子的,利用CPU的CAS指令,一起借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作就有利用类似于的外部完成的。

而整个J.U.C就有建立在CAS之上的,为什么么让对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会愿因“ABA问题”:

ABA问题:

aba实际上是乐观锁无法除理脏数据读取的两种 体现。CAS算法实现那我重要前提需用取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,没办法 在這個 时间差类会愿因数据的变化。

比如说那我多线程 one从内存位置V中取出A,这事先那我多线程 two也从内存中取出A,为什么么让two进行了這個 操作变成了B,为什么么让two又将V位置的数据变成A,这事先多线程 one进行CAS操作发现内存中仍然是A,为什么么让one操作成功。尽管多线程 one的CAS操作成功,为什么么让不代表這個 过程只是 没办法 问题的。

部分乐观锁的实现是通过版本号(version)的方式 来除理ABA问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,就有带上那我版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就都能否 执行修改操作并对版本号执行+1操作,为什么么让就执行失败。可能性每次操作的版本号就有随之增加,什么都不让总出 ABA问题,可能性版本号只会增加不让减少。

 可能性链表的头在变化了两次后恢复了原值,为什么么让不代表链表就没办法 变化。为什么么让AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的那我<Object,Boolean>的对,都能否 原子的修改Object可能性Boolean的值,這個 数据外部在這個 缓存可能性状况描述中比较有用。這個 外部在单个可能性一起修改Object/Boolean的事先要能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护含有整数“标志”的对象引用,都能否 用原子方式 对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是两种 类似于<Object,int>的数据外部,虽然只是 对对象(引用)的那我并发计数(标记版本戳stamp)。为什么么让与AtomicInteger 不同的是,此数据外部都能否 携带那我对象引用(Object),为什么么让要能对此对象和计数一起进行原子操作。

REFERENCE:

下发自以下博客:

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