[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:

  • 在并发访问状态下,另一一个 会总出 脏读、不可重复读和幻读等读有哪些的现象,为了应对有有哪些有哪些的现象,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同去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,有的是朋友定义出来的概念,都能不能 认为是三种思想。着实不仅仅是关系型数据库系统带有乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等有的是类似的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍有哪些是CAS、CAS的应用以及CAS趋于稳定的有哪些的现象等。

并发控制

在计算机科学,有点硬是线程设计、操作系统、多解决机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作意味 的错误的三种机制。

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同去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有哪些的现象:

现有两处火车票售票点,同去读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点同去卖出一张车票,同去修改余额为 X -1写回数据库,另一一个 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。 产生这名 状态的意味 是另一一个 一个 事务读入同一数据并同去修改,其中一一个 事务提交的结果破坏了另一一个 事务提交的结果,意味 其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要解决的要是我类似有哪些的现象。

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

当并发事务同去访问一一个 资源时,有另一一个 意味 数据不一致,怎么让都要三种机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁要是我其中的三种机制。

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、按加锁依据划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用依据划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的全版性,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

常用的锁机制有三种:

1、悲观锁:假定会趋于稳定并发冲突,屏蔽一切另一一个 违反数据全版性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会意味 其它所有都要锁的线程挂起,在等待持有锁的线程释放锁。

2、乐观锁:假设不用趋于稳定并发冲突,每次不加锁要是我假设这么冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查不是违反数据全版性。另一一个 另一一个 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。为数据增加一一个 版本标识,比如在基于数据库表的版本解决方案中,一般是通过为数据库表增加一一个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号同去读出,另一一个 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,另一一个 提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,怎么让认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是这么解决帕累托图脏读的有哪些的现象,类似ABA有哪些的现象(下面会讲到)。

在实际生产环境底下,另一一个 并发量不大且不允许脏读,都能不能 使用悲观锁解决并发有哪些的现象;但另一一个 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有哪些的现象,要是我朋友就要选泽乐观锁定的依据。

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(叫雪“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是三种并发控制的依据。它都能不能 阻止一一个 事务以影响怎么让 用户的依据来修改数据。另一一个 一一个 事务执行的操作都某行数据应用了锁,那这么当这名 事务把锁释放,怎么让 事务才才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,以及趋于稳定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(包括本系统当前的怎么让 事务,以及来自内部系统的事务解决)修改持保守态度(悲观),怎么让,在整个数据解决过程中,将数据趋于稳定锁定状态。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也这么数据库层提供的锁机制才能真正保证数据访问的排他性,怎么让,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内部系统不用修改数据)

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)。

另一一个 加锁失败,说明该记录正在被修改,这么当前查询另一一个 要在等待另一一个 抛出异常。 具体响应依据由开发者根据实际都要决定。

另一一个 成功加锁,这么就都能不能 对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间另一一个 有怎么让 对该记录做修改或加排他锁的操作,有的是在等待朋友解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,朋友都要关闭mysql数据库的自动提交属性,另一一个 MySQL默认使用autocommit模式,也要是我说,当你执行一一个 更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始英文英文事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就都能不能



)
//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;

底下的查询励志的话 中,朋友使用了select…for update的依据,另一一个 就通过开启排他锁的依据实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被朋友锁定了,其它的事务都要等本次事务提交另一一个 才能执行。另一一个 朋友都能不能 保证当前的数据不用被其它事务修改。

底下朋友提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过朋友都要注意怎么让 锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁有的是基于索引的,另一一个 两根SQL励志的话 用这么索引是不用使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点都要注意。

优点与趋于稳定问题

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据解决的安全提供了保证。怎么让在传输速率方面,解决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另一一个 ;另外,在只读型事务解决中另一一个 不用产生冲突,也没必要使用锁,另一一个 做这么增加系统负载;还有会降低了并行性,一一个 事务另一一个 锁定了某行数据,怎么让 事务就都要在等待该事务解决完才都能不能 解决那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫雪“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是三种并发控制的依据。它假设多用户并发的事务在解决时不用彼此互相影响,各事务才能在不产生锁的状态下解决个人所有所有影响的那帕累托图数据。在提交数据更新另一一个 ,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有这么怎么让 事务又修改了该数据。另一一个 怎么让 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状态下不用造成冲突,要是我在数据进行提交更新的另一一个 ,才会正式对数据的冲突不是进行检测,另一一个 发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行解决的另一一个 ,乐观锁暂且会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的依据要是我记录数据版本。

数据版本,为数据增加的一一个 版本标识。当读取数据时,将版本标识的值同去读出,数据每更新一次,同去对版本标识进行更新。当朋友提交更新的另一一个 ,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,另一一个 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,怎么让认为是过期数据。

实现数据版本有三种依据,第三种是使用版本号,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,都能不能 在数据初始化时指定一一个 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有的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};

优点与趋于稳定问题

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,怎么让尽另一一个 直接做下去,直到提交的另一一个 才去锁定,要是我不用产生任何锁和死锁。但另一一个 直接简单这么做,还是有另一一个 会遇到不可预期的结果,类似一个 事务都读取了数据库的某一行,经过修改另一一个 写回数据库,这时就遇到了有哪些的现象。

三、CAS详解

在说CAS另一一个 ,朋友不得不提一下Java的线程安全有哪些的现象。

线程安全:

众所周知,Java是线程的。怎么让,Java对线程的支持着实是一把双刃剑。一旦涉及到多个线程操作共享资源的状态时,解决不好就另一一个 产生线程安全有哪些的现象。线程安全性另一一个 是非常复杂性的,在这么充裕的同步的状态下,多个线程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java底下进行线程通信的主要依据要是我共享内存的依据,共享内存主要的关注点一个 :可见性和有序性。换成复合操作的原子性,朋友都能不能 认为Java的线程安全性有哪些的现象主要关注点有5个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)解决了可见性和有序性的有哪些的现象,而锁解决了原子性的有哪些的现象。这里不再全版介绍JMM及锁的怎么让 相关知识。怎么让朋友要讨论一一个 有哪些的现象,那要是我锁到底是有的是有利无弊的?

3.1 锁趋于稳定的有哪些的现象

Java在JDK1.5另一一个 有的是靠synchronized关键字保证同步的,这名 通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问,都能不能 确保无论哪个线程持有共享变量的锁,都采用独占的依据来访问有有哪些变量。独占锁着实要是我三种悲观锁,要是我都能不能 说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制趋于稳定以下有哪些的现象:

1) 在线程竞争下,加锁、释放锁会意味 比较多的上下文切换和调度延时,引起性能有哪些的现象。

2) 一一个 线程持有锁会意味 其它所有都要此锁的线程挂起。

3) 另一一个 一一个 优先级高的线程在等待一一个 优先级低的线程释放锁会意味 优先级倒置,引起性能风险。

而另一一个 更加有效的锁要是我乐观锁。所谓乐观锁要是我,每次不加锁要是我假设这么冲突而去完成某项操作,另一一个 另一一个 冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是一一个 更轻量级的同步机制,另一一个 在使用有有哪些变量时不用趋于稳定上下文切换和线程调度等操作,怎么让volatile这么解决原子性有哪些的现象,怎么让当一一个 变量依赖旧值时就这么使用volatile变量。怎么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)着实是三种思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般状态下不用造成冲突,要是我在数据进行提交更新的另一一个 ,才会正式对数据的冲突不是进行检测,另一一个 发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么去做。

底下提到的乐观锁的概念中着实另一一个 阐述了他的具体实现细节:

主要要是我一个 步骤:冲突检测数据更新

着实现依据有三种比较典型的要是我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同去更新同一一个 变量时,这么其中一一个 线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程暂且会被挂起,要是我被告知这次竞争中失败,并都能不能 再次尝试。

CAS 操作带有一个 操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。另一一个 内存位置的值与预期原值相匹配,这么解决器会自动将该位置值更新为新值。怎么让,解决器不做任何操作。无论哪种状态,它有的是在 CAS 指令另一一个 返回该位置的值。(在 CAS 的怎么让 特殊状态下将仅返回 CAS 不是成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该带有值 A;另一一个 带有该值,则将 B 放进 这名 位置;怎么让,暂且更改该位置,只谁能告诉我这名 位置现在的值即可。”这着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,乐观锁是三种思想。CAS是这名 思想的三种实现依据。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5另一一个 Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是三种独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)要是我建立在CAS之上的。相对于对于synchronized这名 阻塞算法,CAS是非阻塞算法的三种常见实现。要是我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,而不用害怕怎么让 线程同去修改变量,另一一个 另一一个 怎么让 线程修改变量,这么CAS会检测它(并失败),算法都能不能 对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用有有哪些代替了锁定。

朋友以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在这么锁的状态下是怎么保证线程安全的。主要理解getAndIncrement依据,该依据的作用最少 ++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都要借助volatile原语,保证线程间的数据是可见的(共享的)。另一一个 在获取变量的值的另一一个 才能直接读取。怎么让来看看++i是为什么么么会做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据怎么让将此数据和+1后的结果进行CAS操作,另一一个 成功就返回结果,怎么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);
 }

整体的过程要是我另一一个 子的,利用CPU的CAS指令,同去借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作有的是利用类似的形态完成的。

而整个J.U.C有的是建立在CAS之上的,怎么让对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会意味 “ABA有哪些的现象”:

ABA有哪些的现象:

aba实际上是乐观锁无法解决脏数据读取的三种体现。CAS算法实现一一个 重要前提都要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,这么在这名 时间差类会意味 数据的变化。

比如说一一个 线程one从内存位置V中取出A,这另一一个 另一一个 线程two也从内存中取出A,怎么让two进行了怎么让 操作变成了B,怎么让two又将V位置的数据变成A,这另一一个 线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,怎么让one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功,怎么让不代表这名 过程要是我这么有哪些的现象的。

帕累托图乐观锁的实现是通过版本号(version)的依据来解决ABA有哪些的现象,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,有的是带上一一个 版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就都能不能 执行修改操作并对版本号执行+1操作,怎么让就执行失败。另一一个 每次操作的版本号有的是随之增加,要是我不用总出 ABA有哪些的现象,另一一个 版本号只会增加不用减少。

 另一一个 链表的头在变化了两次后恢复了原值,怎么让不代表链表就这么变化。怎么让AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的一一个 <Object,Boolean>的对,都能不能 原子的修改Object另一一个 Boolean的值,这名 数据形态在怎么让 缓存另一一个 状态描述中比较有用。这名 形态在单个另一一个 同去修改Object/Boolean的另一一个 才能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护带有整数“标志”的对象引用,都能不能 用原子依据对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是三种类似<Object,int>的数据形态,着实要是我对对象(引用)的一一个 并发计数(标记版本戳stamp)。怎么让与AtomicInteger 不同的是,此数据形态都能不能 携带一一个 对象引用(Object),怎么让才能对此对象和计数同去进行原子操作。

REFERENCE:

分派自以下博客:

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/18150954