乐观锁与悲观锁CAS总结

最新推荐文章于 2024-07-27 20:33:37 发布

Longtermevolution

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分类专栏：多线程

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本文深入探讨了悲观锁和乐观锁的概念，解释了它们在并发控制中的作用。悲观锁通常用于高写入冲突的场景，如数据库的读写锁，而乐观锁则适用于读多写少的情境，通过版本号机制或CAS算法实现无锁编程。

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时间：20200329

事件：CAS入门，搞清楚原理

1、悲观锁 + 乐观锁

1.1 悲观锁：

思想：共享资源每次只给一个线程使用，其他线程阻塞，用完后再把资源转让给其他线程。

白话：数据库层面加锁。总是假设最坏的情况，每次拿数据的时候都认为数据会被修改，所以每次再拿数据的时候都会上锁，导致别人想要那这个数据就会被阻塞直到它拿到锁。

实例：传统的关系型数据库中使用多，如读锁、写锁、行锁、表锁等；java中的synchronized和Reentrantlock等独占锁。

1.2 乐观锁：

思想：之所以叫乐观，因为这个模式没有从数据库加锁。表中有一个版本字段，第一次读的时候，获取到这个字段。处理完业务逻辑开始更新的时候，需要再次查看该字段的值是否和第一次的一样。如果一样更新，反之拒绝。

白话：总是假设最好的情况，每次拿数据的时候认为数据不会被修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间这个数据有没有更新，通过版本号机制和CAS算法实现。

	适用场景
乐观锁	多读，冲突几率小
悲观锁	多写，冲突几率大

1.2.1 乐观锁常见实现方式

1、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 。

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 ）。
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 ）。
操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号加一（ version=2 ），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大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 。
操作员 B 完成了操作，也将版本号加一（ version=2 ）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 2 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须大于记录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。

2、CAS算法（compare and swap, 比较和交换）

思想：无锁编程，非阻塞同步（non-blocking synchronized），不使用锁的情况下实现多线程间的变量同步，即没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步。

白话：当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

CAS 操作中包含三个操作数 :

需要读写的内存位置V
进行比较的预期原值A
拟写入的新值B

如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B。否则处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 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 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。 ”这其实和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

1.2.2 CAS算法缺点

1 ABA 问题

如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 "ABA"问题。

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就提供了此种能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2 循环时间长开销大

自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。 如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

3 只能保证一个共享变量的原子操作

CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。