[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:

  • 在并发访问请况下,可能会老出脏读、不可重复读和幻读等读问題,为了应对你并是否问題,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,都会让我们歌词 歌词 定义出来的概念,可不并能认为是并是否生活思想。其实不仅仅是关系型数据库系统中有 乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等都会类式的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍你并是否是CAS、CAS的应用以及CAS处在的问題等。

并发控制

在计算机科学,一阵一阵是守护系统进程设计、操作系统、多防止机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作原困的错误的并是否生活机制。

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題:

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,原先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。 产生你并是否请况的原困是可能有三个小事务读入同一数据并一起修改,其中有 三个小事务提交的结果破坏了原先事务提交的结果,原困其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要防止的要是 类式问題。

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有三个小资源时,有可能原困数据不一致,为何让时要并是否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 其中的并是否生活机制。

在计算机科学中,锁是在执行多守护系统进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、按加锁辦法 划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用辦法 划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的完全性,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学 ,如表、索引等的形态学 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

常用的锁机制有并是否生活:

1、悲观锁:假定会处在并发冲突,屏蔽一切可能违反数据完全性的操作。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时要锁的守护系统进程挂起,守候持有锁的守护系统进程释放锁。

2、乐观锁:假设不不处在并发冲突,每次不加锁要是 假设没人冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是否违反数据完全性。可能可能冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加有三个小版本标识,比如在基于数据库表的版本防止方案中,一般是通过为数据库表增加有三个小 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一起读出,后来更新时,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,为何让认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是不到防止每种脏读的问題,类式ABA问題(下面会讲到)。

在实际生产环境上方,可能并发量不大且不允许脏读,可不并能使用悲观锁防止并发问題;但可能系统的并发非常大励志的话 ,悲观锁定会带来非常大的性能问題,要是让我们歌词 歌词 就要选折 乐观锁定的辦法 。

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”)是并是否生活并发控制的辦法 。它可不并能阻止有三个小事务以影响其他用户的辦法 来修改数据。可能有三个小事务执行的操作都某行数据应用了锁,那不到当你并是否事务把锁释放,其他事务才并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,以及处在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(包括本系统当前的其他事务,以及来自内部人员系统的事务防止)修改持保守态度(悲观),为何让,在整个数据防止过程中,将数据处在锁定请况。 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并能真正保证数据访问的排他性,为何让,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内部人员系统不不修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录换成排他锁(exclusive locking)。

可能加锁失败,说明该记录正在被修改,没人当前查询可能要守候可能抛出异常。 具体响应辦法 由开发者根据实际时要决定。

可能成功加锁,没人就可不并能对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间可能有其他对该记录做修改或加排他锁的操作,都会守候让我们歌词 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,让我们歌词 歌词 时要关闭mysql数据库的自动提交属性,可能MySQL默认使用autocommit模式,也要是 说,当你执行有三个小更新操作后,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; (三者选一就可不并能)
//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;

上方的查询励志的话 中,让我们歌词 歌词 使用了select…for update的辦法 ,原先就通过开启排他锁的辦法 实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被让我们歌词 歌词 锁定了,其它的事务时要等本次事务提交后来并能执行。原先让我们歌词 歌词 可不并能保证当前的数据不不被其它事务修改。

上方让我们歌词 歌词 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过让我们歌词 歌词 时要注意其他锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都会基于索引的,可能三根SQL励志的话 用不到索引是不不使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点时要注意。

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,为数据防止的安全提供了保证。为何让在效率方面,防止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;另外,在只读型事务防止中可能不不产生冲突,也没必要使用锁,原先做不到增加系统负载;还有会降低了并行性,有三个小事务可能锁定了某行数据,其他事务就时要守候该事务防止完才可不并能防止那行数

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”)是并是否生活并发控制的辦法 。它假设多用户并发的事务在防止时不不彼此互相影响,各事务并能在不产生锁的请况下防止各人 影响的那每种数据。在提交数据更新后来,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没人其他事务又修改了该数据。可能其他事务有更新励志的话 ,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请况下不不造成冲突,要是在数据进行提交更新的后来,才会正式对数据的冲突是否进行检测,可能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定咋样去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行防止的后来,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辦法 要是 记录数据版本。

数据版本,为数据增加的有三个小版本标识。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。让我们歌词 歌词 提交更新的后来,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,为何让认为是过期数据。

实现数据版本有并是否生活辦法 ,第并是否生活是使用版本号,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,可不并能在数据初始化时指定有三个小版本号,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,为何让尽可能直接做下去,直到提交的后来才去锁定,要是不不产生任何锁和死锁。但可能直接简单没人做,还是有可能会遇到不可预期的结果,类式有三个小事务都读取了数据库的某一行,经过修改后来写回数据库,这时就遇到了问題。

三、CAS详解

在说CAS后来,让我们歌词 歌词 不得不提一下Java的守护系统进程安全问題。

守护系统进程安全:

众所周知,Java是多守护系统进程的。为何让,Java对多守护系统进程的支持其实是一把双刃剑。一旦涉及到多个守护系统进程操作共享资源的请况时,防止不好就可能产生守护系统进程安全问題。守护系统进程安全性可能是非常复杂的,在没人丰厚的同步的请况下,多个守护系统进程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上方进行多守护系统进程通信的主要辦法 要是 共享内存的辦法 ,共享内存主要的关注点有有三个小:可见性和有序性。换成复合操作的原子性,让我们歌词 歌词 可不并能认为Java的守护系统进程安全性问題主要关注点有三个小:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)防止了可见性和有序性的问題,而锁防止了原子性的问題。这里不再完全介绍JMM及锁的其他相关知识。为何让我们歌词 歌词 要讨论有三个小问題,那要是 锁到底是都会有利无弊的?

3.1 锁处在的问題

Java在JDK1.5后来都会靠synchronized关键字保证同步的,你并是否通过使用一致的锁定协议来协调对共享请况的访问,可不并能确保无论哪个守护系统进程持有共享变量的锁,都采用独占的辦法 来访问你并是否变量。独占锁其实要是 并是否生活悲观锁,要是到否说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制处在以下问題:

1) 在多守护系统进程竞争下,加锁、释放锁会原困比较多的上下文切换和调度延时,引起性能问題。

2) 有三个小守护系统进程持有锁会原困其它所有时要此锁的守护系统进程挂起。

3) 可能有三个小优先级高的守护系统进程守候有三个小优先级低的守护系统进程释放锁会原困优先级倒置,引起性能风险。

而原先更加有效的锁要是 乐观锁。所谓乐观锁要是 ,每次不加锁要是 假设没人冲突而去完成某项操作,可能可能冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是有三个小更轻量级的同步机制,可能在使用你并是否变量时不不处在上下文切换和守护系统进程调度等操作,为何让volatile不到防止原子性问題,为何让当有三个小变量依赖旧值时就不到使用volatile变量。为何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)其实是并是否生活思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般请况下不不造成冲突,要是在数据进行提交更新的后来,才会正式对数据的冲突是否进行检测,可能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定咋样去做。

上方提到的乐观锁的概念中其实可能阐述了他的具体实现细节:

主要要是 有三个小步骤:冲突检测数据更新

其实现辦法 并是否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,当多个守护系统进程尝试使用CAS一起更新同有三个小变量时,不到其中有 三个小守护系统进程能更新变量的值,而其它守护系统进程都失败,失败的守护系统进程无须会被挂起,要是 被告知这次竞争中失败,并可不并能再次尝试。

CAS 操作包中有 三个小操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。可能内存位置的值与预期原值相匹配,没人防止器会自动将该位置值更新为新值。为何让,防止器不做任何操作。无论哪种请况,它都会在 CAS 指令后来返回该位置的值。(在 CAS 的其他特殊请况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该中有 值 A;可能中有 该值,则将 B 放入 你并是否位置;为何让,无须更改该位置,只谁能告诉我你并是否位置现在的值即可。”这其实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,乐观锁是并是否生活思想。CAS是你并是否思想的并是否生活实现辦法 。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5后来Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是并是否生活独占锁,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你并是否阻塞算法,CAS是非阻塞算法的并是否生活常见实现。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,而不不害怕其他守护系统进程一起修改变量,可能可能其他守护系统进程修改变量,没人CAS会检测它(并失败),算法可不并能对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用你并是否代替了锁定。

让我们歌词 歌词 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在没人锁的请况下是咋样保证守护系统进程安全的。主要理解getAndIncrement辦法 ,该辦法 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时要借助volatile原语,保证守护系统进程间的数据是可见的(共享的)。原先在获取变量的值的后来并能直接读取。为何让来看看++i是为何做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据为何让将此数据和+1后的结果进行CAS操作,可能成功就返回结果,为何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);
 }

整体的过程要是 原先子的,利用CPU的CAS指令,一起借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都会利用类式的形态学 完成的。

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

3.4 CAS会原困“ABA问題”:

ABA问題:

aba实际上是乐观锁无法防止脏数据读取的并是否生活体现。CAS算法实现有三个小重要前提时要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,没人在你并是否时间差类会原困数据的变化。

比如说有三个小守护系统进程one从内存位置V中取出A,这后来原先守护系统进程two也从内存中取出A,为何让two进行了其他操作变成了B,为何让two又将V位置的数据变成A,这后来守护系统进程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,为何让one操作成功。尽管守护系统进程one的CAS操作成功,为何让不代表你并是否过程要是 没人问題的。

每种乐观锁的实现是通过版本号(version)的辦法 来防止ABA问題,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都会带上有三个小版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可不并能执行修改操作并对版本号执行+1操作,为何让就执行失败。可能每次操作的版本号都会随之增加,要是不不老出ABA问題,可能版本号只会增加不不减少。

 可能链表的头在变化了两次后恢复了原值,为何让不代表链表就没人变化。为何让AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的有三个小<Object,Boolean>的对,可不并能原子的修改Object可能Boolean的值,你并是否数据形态学 在其他缓存可能请况描述中比较有用。你并是否形态学 在单个可能一起修改Object/Boolean的以可不并能够有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护中有 整数“标志”的对象引用,可不并能用原子辦法 对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是并是否生活类式<Object,int>的数据形态学 ,其实要是 对对象(引用)的有三个小并发计数(标记版本戳stamp)。为何让与AtomicInteger 不同的是,此数据形态学 可不并能携中有 三个小对象引用(Object),为何让并能对此对象和计数一起进行原子操作。

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/1850954