如何实现乐观锁?

如何实现乐观锁?

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乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现,CAS 算法相对来说更多一些,这里需要格外注意。

版本号机制

一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段,表示数据被修改的次数。当数据被修改时,version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时,在读取数据的同时也会读取 version 值,在提交更新时,若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新,否则重试更新操作,直到更新成功。

举一个简单的例子:假设数据库中帐户信息表中有一个 version 字段,当前值为 1 ;而当前帐户余额字段( balance )为 $100 。

  1. 操作员 A 此时将其读出( version=1 ),并从其帐户余额中扣除 $50( $100-$50 )。
  2. 在操作员 A 操作的过程中,操作员 B 也读入此用户信息( version=1 ),并从其帐户余额中扣除 $20 ( $100-$20 )。
  3. 操作员 A 完成了修改工作,将数据版本号( version=1 ),连同帐户扣除后余额( balance=$50 ),提交至数据库更新,此时由于提交数据版本等于数据库记录当前版本,数据被更新,数据库记录 version 更新为 2 。
  4. 操作员 B 完成了操作,也将版本号( version=1 )试图向数据库提交数据( balance=$80 ),但此时比对数据库记录版本时发现,操作员 B 提交的数据版本号为 1 ,数据库记录当前版本也为 2 ,不满足 “ 提交版本必须等于当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略,因此,操作员 B 的提交被驳回。

这样就避免了操作员 B 用基于 version=1 的旧数据修改的结果覆盖操作员 A 的操作结果的可能。

CAS 算法

CAS 的全称是 Compare And Swap(比较与交换) ,用于实现乐观锁,被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单,就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较,两值相等才会进行更新。

CAS 是一个原子操作,底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

原子操作 即最小不可拆分的操作,也就是说操作一旦开始,就不能被打断,直到操作完成。

CAS 涉及到三个操作数:

  • V:要更新的变量值(Var)
  • E:预期值(Expected)
  • N:拟写入的新值(New)

当且仅当 V 的值等于 E 时,CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等,说明已经有其它线程更新了 V,则当前线程放弃更新。

举一个简单的例子:线程 A 要修改变量 i 的值为 6,i 原值为 1(V = 1,E=1,N=6,假设不存在 ABA 问题)。

  1. i 与 1 进行比较,如果相等, 则说明没被其他线程修改,可以被设置为 6 。
  2. i 与 1 进行比较,如果不相等,则说明被其他线程修改,当前线程放弃更新,CAS 操作失败。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败,但失败的线程并不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作。

Java 语言并没有直接实现 CAS,CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的(JNI 调用)。因此, CAS 的具体实现和操作系统以及 CPU 都有关系。

sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObjectcompareAndSwapIntcompareAndSwapLong方法来实现的对Objectintlong类型的 CAS 操作

/**
  *  CAS
  * @param o         包含要修改field的对象
  * @param offset    对象中某field的偏移量
  * @param expected  期望值
  * @param update    更新值
  * @return          true | false
  */
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,  Object expected, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);

关于 Unsafe 类的详细介绍可以看这篇文章:Java 魔法类 Unsafe 详解 - JavaGuide - 2022

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乐观锁是一种并发控制的机制,它假设多个事务在处理数据时不会经常发生冲突,因此在更新数据时并不会立即加锁,而是会在更新提交时检查数据自读取以来是否被修改过。如果数据被其他事务修改了,则本次更新会被拒绝。在MySQL和PostgreSQL等数据库中,实现乐观锁通常使用版本号(Version Number)或时间戳(Timestamp)来追踪数据的变化。 以下是使用版本号实现乐观锁的通用步骤: 1. 在表中增加一个版本号字段,通常是整型(INT)或者浮点型(FLOAT),并且设置初始值为1。 2. 当事务开始读取数据时,同时读取版本号。 3. 事务在更新数据前,会将读取的版本号加1,并将其作为更新条件的一部分。 4. 当事务尝试更新数据时,数据库会检查版本号是否匹配。如果匹配,则执行更新,并将版本号字段的值增加1。 5. 如果有其他事务已经修改了数据并提交,导致版本号增加,那么当前事务的更新条件将不会满足,更新会被拒绝。 6. 如果更新失败,事务可以选择重试或者执行其他操作。 在MySQL中,实现乐观锁的一个简单例子可以是这样的SQL语句: ```sql -- 添加版本号字段 ALTER TABLE 表名 ADD COLUMN version INT DEFAULT 1; -- 更新数据时的SQL UPDATE 表名 SET 字段 = 新值, version = version + 1 WHERE id = 记录ID AND version = 旧版本号; ``` 在PostgreSQL中,实现乐观锁的方法类似,可以使用表的行级锁和版本号字段: ```sql -- 添加版本号字段 ALTER TABLE 表名 ADD COLUMN version INT; -- 更新数据时的SQL UPDATE 表名 SET 字段 = 新值, version = version + 1 WHERE id = 记录ID AND version = 旧版本号; ``` 需要注意的是,在实际应用中,乐观锁实现可能需要结合具体的应用场景和业务逻辑来设计。
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