悲觀鎖與樂觀鎖的實現(xiàn)(詳情圖解)
一、前言
1、在了解悲觀鎖和樂觀鎖之前，我們先了解一下什么是鎖，為什么要用到鎖?
2、技術(shù)來源于生活，鎖不僅在程序中存在，在現(xiàn)實中我們也隨處可見，例如我們上下班打卡的指紋鎖，保險柜上的密碼鎖，以及我們我們登錄的用戶名和密碼也是一種鎖，生活中用到鎖可以保護我們?nèi)松戆踩?指紋鎖)、財產(chǎn)安全(保險柜密碼鎖)、信息安全(用戶名密碼鎖)，讓我們更放心的去使用和生活，因為有鎖，我們不用去擔心個人的財產(chǎn)和信息泄露。
3、而程序中的鎖，則是用來保證我們數(shù)據(jù)安全的機制和手段，例如當我們有多個線程去訪問修改共享變量的時候，我們可以給修改操作加鎖(syncronized)。當多個用戶修改表中同一數(shù)據(jù)時，我們可以給該行數(shù)據(jù)上鎖(行鎖)。因此，當程序中可能出現(xiàn)并發(fā)的情況時，我們就需要通過一定的手段來保證在并發(fā)情況下數(shù)據(jù)的準確性，通過這種手段保證了當前用戶和其他用戶一起操作時，所得到的結(jié)果和他單獨操作時的結(jié)果是一樣的
4、沒有做好并發(fā)控制，就可能導致臟讀、幻讀和不可重復讀等問題，如下圖所示：
由于并發(fā)操作，如果沒有加鎖進行并發(fā)控制，數(shù)據(jù)庫的最終的一條數(shù)據(jù)可能為3也有可能為5，導致數(shù)值不準確
二、悲觀鎖和樂觀鎖
首先我們需要清楚的一點就是無論是悲觀鎖還是樂觀鎖，都是人們定義出來的概念，可以認為是一種思想。
2.1、悲觀鎖
悲觀鎖(Pessimistic Lock)： 就是很悲觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認為別人會修改。所以每次在拿數(shù)據(jù)的時候都會上鎖。這樣別人想拿數(shù)據(jù)就被擋住，直到悲觀鎖被釋放，悲觀鎖中的共享資源每次只給一個線程使用，其它線程阻塞，用完后再把資源轉(zhuǎn)讓給其它線程
但是在效率方面，處理加鎖的機制會產(chǎn)生額外的開銷，還有增加產(chǎn)生死鎖的機會。另外還會降低并行性，如果已經(jīng)鎖定了一個線程A，其他線程就必須等待該線程A處理完才可以處理
數(shù)據(jù)庫中的行鎖，表鎖，讀鎖(共享鎖)，寫鎖(排他鎖)，以及syncronized實現(xiàn)的鎖均為悲觀鎖
悲觀并發(fā)控制實際上是“先取鎖再訪問”的保守策略，為數(shù)據(jù)處理的安全提供了保證
2.2、樂觀鎖
樂觀鎖(Optimistic Lock)： 就是很樂觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認為別人不會修改。所以不會上鎖，但是如果想要更新數(shù)據(jù)，則會在更新前檢查在讀取至更新這段時間別人有沒有修改過這個數(shù)據(jù)。如果修改過，則重新讀取，再次嘗試更新，循環(huán)上述步驟直到更新成功(當然也允許更新失敗的線程放棄操作),樂觀鎖適用于多讀的應用類型，這樣可以提高吞吐量
相對于悲觀鎖，在對數(shù)據(jù)庫進行處理的時候，樂觀鎖并不會使用數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制。一般的實現(xiàn)樂觀鎖的方式就是記錄數(shù)據(jù)版本(version)或者是時間戳來實現(xiàn)，不過使用版本記錄是最常用的。
樂觀控制相信事務之間的數(shù)據(jù)競爭(data race)的概率是比較小的，因此盡可能直接做下去，直到提交的時候才去鎖定，所以不會產(chǎn)生任何鎖和死鎖。
三、鎖的實現(xiàn)
悲觀鎖阻塞事務、樂觀鎖回滾重試：它們各有優(yōu)缺點，不要認為一種一定好于另一種。像樂觀鎖適用于寫比較少的情況下，即沖突真的很少發(fā)生的時候，這樣可以省去鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的整個吞吐量。但如果經(jīng)常產(chǎn)生沖突，上層應用會不斷的進行重試，這樣反倒是降低了性能，所以這種情況下用悲觀鎖就比較合適。
3.1 悲觀鎖的實現(xiàn)方式
場景：
- 有用戶A和用戶B，在同一家店鋪去購買同一個商品，但是商品的可購買數(shù)量只有一個
下面是這個店鋪的商品表t_goods結(jié)構(gòu)和表中的數(shù)據(jù)：
在不加鎖的情況下，如果用戶A和用戶B同時下單，就會報錯。
悲觀鎖的實現(xiàn)，往往依靠數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制，在數(shù)據(jù)庫中，我們?nèi)绾斡帽^鎖去解決這個事情呢?
- 加入當用戶A對下單購買商品(臭豆腐)的時候，先去嘗試對該數(shù)據(jù)(臭豆腐)加上悲觀鎖
- 加鎖失?。赫f明商品(臭豆腐)正在被其他事務進行修改，當前查詢需要等待或者拋出異常，具體返回的方式需要由開發(fā)者根據(jù)具體情況去定義
- 加鎖成功：對商品(臭豆腐)進行修改，也就是只有用戶A能買，用戶B想買(臭豆腐)就必須一直等待。當用戶A買好后，用戶B再想去買(臭豆腐)的時候會發(fā)現(xiàn)數(shù)量已經(jīng)為0，那么B看到后就會放棄購買
- 在此期間如果有其他對該數(shù)據(jù)(臭豆腐)做修改或加鎖的操作，都會等待我們解鎖后或者直接拋出異常
那么如何加上悲觀鎖呢?我們可以通過以下語句給id=2的這行數(shù)據(jù)加上悲觀鎖，首先關(guān)閉MySQL數(shù)據(jù)庫的自動提交屬性。因為MySQL默認使用autocommit模式，也就是說，當我們執(zhí)行一個更新操作后，MySQL會立刻將結(jié)果進行提交, (sql語句：setautocommit=0)
悲觀鎖加鎖sql語句：
- select num from t_goods where id = 2 for update
我們通過開啟mysql的兩個會話，也就是兩個命令行來演示：
事務A：我們可以看到數(shù)據(jù)是立刻馬上就可以查詢出來，num=1
事務B：我們是可以看到，事務B會一直等待事務A釋放鎖。如果事務A長期不釋放鎖，那么最終事務B將會報錯，報錯如下圖所示，表示語句已被鎖住。
現(xiàn)在我們讓事務A執(zhí)行命令去修改數(shù)據(jù)，讓臭豆腐的數(shù)量減一，然后查看修改后的數(shù)據(jù)，最后commit,結(jié)束事務
我們可以看到當我們事務A執(zhí)行完成之后，臭豆腐的庫存只有0個了，這個時候我們用戶B再來購買這個臭豆腐的時候就會發(fā)現(xiàn)，最后一個臭豆腐已經(jīng)被用戶A購買完了，那么用戶B只能放棄購買臭豆腐了。
通過悲觀鎖我們可以解決因為商品庫存不足，導致的商品超出庫存的售賣。
3.1 樂觀鎖的實現(xiàn)方式
對于上面的應用場景，我們應該怎么用樂觀鎖去解決呢?在上面的樂觀鎖中，我們有提到使用版本號(version)來解決，所以我們需要在t_goods加上版本號，調(diào)整后的sql表結(jié)構(gòu)如下：
具體操作步驟如下：
1、首先用戶A和用戶B同時將臭豆腐(id=2)的數(shù)據(jù)查出來
2、然后用戶A先買，用戶A將(id=1和version=0)作為條件進行數(shù)據(jù)更新，將數(shù)量-1，并且將版本號+1。此時版本號變?yōu)?。用戶A此時就完成了商品的購買
3、 用戶B開始買，用戶B也將(id=1和version=0)作為條件進行數(shù)據(jù)更新
4、更新完后，發(fā)現(xiàn)更新的數(shù)據(jù)行數(shù)為0，此時就說明已經(jīng)有人改動過數(shù)據(jù)，此時就應該提示用戶B重新查看最新數(shù)據(jù)購買
1、首先我們開啟兩個會話窗口，輸入查詢語句：selectnumfromt_goodswhere id=2
事務A：
事務B：
這個時候事務A和事務B同時獲取相同的數(shù)據(jù)
2、此時事務A進行更新數(shù)據(jù)的操作，然后在查詢更新后的數(shù)據(jù)
這個時候我們可以看到事務A更新成功，并且?guī)齑?1 版本號+1成功
2、此時事務B進行更新數(shù)據(jù)的操作，然后在查詢更新后的數(shù)據(jù)
可以看到最終修改的時候失敗，數(shù)據(jù)沒有改變。此時就需要我們告知用戶B重新處理
3.1.1 CAS
說到樂觀鎖，就必須提到一個概念：CAS 什么是CAS呢?Compare-and-Swap，即比較并替換，也有叫做Compare-and-Set的，比較并設置。1、比較：讀取到了一個值A(chǔ)，在將其更新為B之前，檢查原值是否仍為A(未被其他線程改動)。2、設置：如果是，將A更新為B，結(jié)束。[1]如果不是，則什么都不做。上面的兩步操作是原子性的，可以簡單地理解為瞬間完成，在CPU看來就是一步操作。有了CAS，就可以實現(xiàn)一個樂觀鎖，允許多個線程同時讀取(因為根本沒有加鎖操作)，但是只有一個線程可以成功更新數(shù)據(jù)，并導致其他要更新數(shù)據(jù)的線程回滾重試。CAS利用CPU指令，從硬件層面保證了操作的原子性，以達到類似于鎖的效果。
Java中真正的CAS操作調(diào)用的native方法因為整個過程中并沒有“加鎖”和“解鎖”操作，因此樂觀鎖策略也被稱為無鎖編程。換句話說，樂觀鎖其實不是“鎖”，它僅僅是一個循環(huán)重試CAS的算法而已!
四、如何選擇
悲觀鎖阻塞事務，樂觀鎖回滾重試，它們各有優(yōu)缺點，不要認為一種一定好于另一種。像樂觀鎖適用于寫比較少的情況下，即沖突真的很少發(fā)生的時候，這樣可以省去鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的整個吞吐量。
但如果經(jīng)常產(chǎn)生沖突，上層應用會不斷的進行重試，這樣反倒是降低了性能，所以這種情況下用悲觀鎖就比較合適。
注意點：
1、樂觀鎖并未真正加鎖，所以效率高。一旦鎖的粒度掌握不好，更新失敗的概率就會比較高，容易發(fā)生業(yè)務失敗。
2、悲觀鎖依賴數(shù)據(jù)庫鎖，效率低。更新失敗的概率比較低。
五、總結(jié)
這篇文章講解了悲觀鎖與樂觀鎖的區(qū)別，以及實現(xiàn)場景，不管是悲觀鎖還是樂觀鎖都是人們定義出來的概念，是一種思想，
