[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,可能性会出現脏读、不可重复读和幻读等读现象,为了应对哪些现象,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块儿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,完正都是我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 定义出来的概念,时需认为是并是否是思想。随便说说 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等完正都是类似于于的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍哪些是CAS、CAS的应用以及CAS发生的现象等。

并发控制

在计算机科学,有点儿是线程设计、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原因的错误的并是否是机制。

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块儿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现象:

现有两处火车票售票点,一块儿读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点一块儿卖出一张车票,一块儿修改余额为 X -1写回数据库,很久 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。 产生你这个情况表的原因是可能性4个事务读入同一数据并一块儿修改,其中4个事务提交的结果破坏了很久 事务提交的结果,原因其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处置的却说类似于于于现象。

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

当并发事务一块儿访问4个资源时,有可能性原因数据不一致,你会 时需并是否是机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁却说其中的并是否是机制。

在计算机科学中,锁是在执行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、按加锁最好的方式划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用最好的方式划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的完正性,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

常用的锁机制有并是否是:

1、悲观锁:假定会发生并发冲突,屏蔽一切可能性违反数据完正性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会原因其它所有时需锁的线程挂起,停留持有锁的线程释放锁。

2、乐观锁:假设我太久 发生并发冲突,每次不加锁却说假设没办法 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是否是 违反数据完正性。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4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4个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一块儿读出,很久 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,你会 认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是非要处置累积脏读的现象,类似于于ABA现象(下面会讲到)。

在实际生产环境上边,可能性并发量不大且不允许脏读,时需使用悲观锁处置并发现象;但可能性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现象,什么都我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 就要选泽乐观锁定的最好的方式。

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(名叫“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是并是否是并发控制的最好的方式。它时需阻止4个事务以影响或多或少用户的最好的方式来修改数据。可能性4个事务执行的操作都某行数据应用了锁,那非要当你这个事务把锁释放,或多或少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,以及发生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(包括本系统当前的或多或少事务,以及来自内部管理系统的事务处置)修改持保守态度(悲观),你会 ,在整个数据处置过程中,将数据发生锁定情况表。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也非要数据库层提供的锁机制并能真正保证数据访问的排他性,你会 ,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我太久 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)。

可能性加锁失败,说明该记录正在被修改,没办法 当前查询可能性要停留可能性抛出异常。 具体响应最好的方式由开发者根据实际时需决定。

可能性成功加锁,没办法 就时需对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间可能性有或多或少对该记录做修改或加排他锁的操作,完正都是停留我们歌词 歌词 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,我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 时需关闭mysql数据库的自动提交属性,可能性MySQL默认使用autocommit模式,也却说说,当你执行4个更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.结束事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就时需)
//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;

上边的查询励志的话 中,我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 使用了select…for update的最好的方式,很久 就通过开启排他锁的最好的方式实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 锁定了,其它的事务时需等本次事务提交很久 并能执行。很久 我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 时需保证当前的数据我太久 被其它事务修改。

上边我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 时需注意或多或少锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁完正都是基于索引的,可能性每根SQL励志的话 用非要索引是我太久 使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点时需注意。

优点与欠缺

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。你会 在下行数率 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可能性;另外,在只读型事务处置中可能性我太久 产生冲突,也没必要使用锁,很久 做非要增加系统负载;还有会降低了并行性,4个事务可能性锁定了某行数据,或多或少事务就时需停留该事务处置完才时需处置那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(名叫“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是并是否是并发控制的最好的方式。它假设多用户并发的事务在处置时我太久 彼此互相影响,各事务并能在不产生锁的情况表下处置其他人所有影响的那累积数据。在提交数据更新很久 ,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没办法 或多或少事务又修改了该数据。可能性或多或少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情况表下我太久 造成冲突,什么都在数据进行提交更新的很久 ,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,让用户决定怎么才能 才能 去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行处置的很久 ,乐观锁太久会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的最好的方式却说记录数据版本。

数据版本,为数据增加的4个版本标识。当读取数据时,将版本标识的值一块儿读出,数据每更新一次,一块儿对版本标识进行更新。我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 提交更新的很久 ,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,你会 认为是过期数据。

实现数据版本有并是否是最好的方式,第并是否是是使用版本号,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,时需在数据初始化时指定4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完正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};

优点与欠缺

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,你会 尽可能性直接做下去,直到提交的很久 才去锁定,什么都我太久 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,类似于于4个事务都读取了数据库的某一行,经过修改很久 写回数据库,这时就遇到了现象。

三、CAS详解

在说CAS很久 ,我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 不得不提一下Java的线程安全现象。

线程安全:

众所周知,Java是线程的。你会 ,Java对线程的支持随便说说 是一把双刃剑。一旦涉及到多个线程操作共享资源的情况表时,处置不好就可能性产生线程安全现象。线程安全性可能性是非常比较复杂的,在没办法 富足的同步的情况表下,多个线程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上边进行线程通信的主要最好的方式却说共享内存的最好的方式,共享内存主要的关注点有4个:可见性和有序性。加进去去复合操作的原子性,我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 时需认为Java的线程安全性现象主要关注点有八个: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现象,而锁处置了原子性的现象。这里不再完正介绍JMM及锁的或多或少相关知识。你会 我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 要讨论4个现象,那却说锁到底是完正都是有利无弊的?

3.1 锁发生的现象

Java在JDK1.5很久 完正都是靠synchronized关键字保证同步的,你这个通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况表的访问,时需确保无论哪个线程持有共享变量的锁,都采用独占的最好的方式来访问哪些变量。独占锁随便说说 却说并是否是悲观锁,什么都时需说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制发生以下现象:

1) 在线程竞争下,加锁、释放锁会原因比较多的上下文切换和调度延时,引起性能现象。

2) 4个线程持有锁会原因其它所有时需此锁的线程挂起。

3) 可能性4个优先级高的线程停留4个优先级低的线程释放锁会原因优先级倒置,引起性能风险。

而很久 更加有效的锁却说乐观锁。所谓乐观锁却说,每次不加锁却说假设没办法 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4个更轻量级的同步机制,可能性在使用哪些变量时我太久 发生上下文切换和线程调度等操作,你会 volatile非要处置原子性现象,你会 当4个变量依赖旧值时就非要使用volatile变量。你会 对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)随便说说 是并是否是思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下我太久 造成冲突,什么都在数据进行提交更新的很久 ,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,让用户决定怎么才能 才能 去做。

上边提到的乐观锁的概念中随便说说 可能性阐述了他的具体实现细节:

主要却说4个步骤:冲突检测数据更新

随便说说 现最好的方式有并是否是比较典型的却说Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS一块儿更新同4个变量时,非要其中4个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程太久会被挂起,却说被告知这次竞争中失败,并时需再次尝试。

CAS 操作含有4个操作数 —— 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 处置器会自动将该位置值更新为新值。你会 ,处置器不做任何操作。无论哪种情况表,它完正都是在 CAS 指令很久 返回该位置的值。(在 CAS 的或多或少特殊情况表下将仅返回 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 倒进你这个位置;你会 ,太久更改该位置,只我都没办法 乎 你这个位置现在的值即可。”这随便说说 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,乐观锁是并是否是思想。CAS是你这个思想的并是否是实现最好的方式。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5很久 Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是并是否是独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)却说建立在CAS之上的。相对于对于synchronized你这个阻塞算法,CAS是非阻塞算法的并是否是常见实现。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,而我太久 害怕或多或少线程一块儿修改变量,可能性可能性或多或少线程修改变量,没办法 CAS会检测它(并失败),算法时需对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪些代替了锁定。

我们歌词 歌词 我们歌词 歌词 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在没办法 锁的情况表下是怎么才能 才能 保证线程安全的。主要理解getAndIncrement最好的方式,该最好的方式的作用为宜 ++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时需借助volatile原语,保证线程间的数据是可见的(共享的)。很久 在获取变量的值的很久 并能直接读取。你会 来看看++i是为什么在做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据你会 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,你会 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);
 }

整体的过程却说很久 子的,利用CPU的CAS指令,一块儿借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作完正都是利用类似于于的形态完成的。

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

3.4 CAS会原因“ABA现象”:

ABA现象:

aba实际上是乐观锁无法处置脏数据读取的并是否是体现。CAS算法实现4个重要前提时需取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,没办法 在你这个时间差类会原因数据的变化。

比如说4个线程one从内存位置V中取出A,这很久 很久 线程two也从内存中取出A,你会 two进行了或多或少操作变成了B,你会 two又将V位置的数据变成A,这很久 线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,你会 one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功,你会 不代表你这个过程却说没办法 现象的。

累积乐观锁的实现是通过版本号(version)的最好的方式来处置ABA现象,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,完正都是带上4个版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就时需执行修改操作并对版本号执行+1操作,你会 就执行失败。可能性每次操作的版本号完正都是随之增加,什么都我太久 出現ABA现象,可能性版本号只会增加我太久 减少。

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

AtomicMarkableReference 类描述的4个<Object,Boolean>的对,时需原子的修改Object可能性Boolean的值,你这个数据形态在或多或少缓存可能性情况表描述中比较有用。你这个形态在单个可能性一块儿修改Object/Boolean的很久 并能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护含有整数“标志”的对象引用,时需用原子最好的方式对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是并是否是类似于于<Object,int>的数据形态,随便说说 却说对对象(引用)的4个并发计数(标记版本戳stamp)。你会 与AtomicInteger 不同的是,此数据形态时需携带4个对象引用(Object),你会 并能对此对象和计数一块儿进行原子操作。

REFERENCE:

采集自以下博客:

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/18500954