悲观锁和乐观锁

叫我刘三青
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大纲

前言

悲观锁和乐观锁是面试的高频问题

我们应该有一些概念

悲观锁顾名思义，就是悲观的认为只要不做正确的同步措施，他就一定会出现问题

乐观锁是说对于数据的同步我乐观的认为不采用同步措施也不会产生问题，但是如果产生了问题我就进行补救措施，比如retry

多线程间的同步机制主要有四种

  • 互斥量
  • 临界区
  • 信号量
  • 事件

先不讲这四个的区别，只要先记住，Synchronized就是使用操作系统的互斥量

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互斥(阻塞)同步—悲观锁

互斥只是同步机制的其中一个手段，也是很常见的保障并发正确性的手段

我们知道传统的锁（如synchronized或者reentrantLock）之所以被称为重量级锁，就是因为他使用操作系统互斥量来实现同步

synchronized

这是我们相对来说最熟悉的方式，一般新手学同步的时候，我们都是采用这个关键字，但是这个方式因为是使用操作系统信号量，所以相对来说效率比较低

Java中 synchronized能实现同步基础：Java中的对象都可以作为锁

三种形式：

  • 普通同步方法，锁的的对象的实例
  • 静态同步方法，锁的是当前类的Class对象
  • 对于同步方法块，锁的是括号中的配置对象

实现原理

JVM 是基于 进入和退出 monitor对象来实现方法同步和代码块同步

当synchronized关键字经过编译后，会在同步块的前后（同步代码块开始和结束或者异常的地方）分别形成 monitorenter 和 monitorexit两个字节码指令。

  • 每一个monitorenter必定有一个monitorexit与之对应。当执行到monitorenter指令的时候，锁计数器加一，对应的，执行到 monitorexit ，计数器减一。当计数器为0的时候，锁就被释放
  • synchronized同步块对于同一个线程是可重入的，不会出现自己锁死自己的情况
  • 同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞其他线程进入访问

同步方法规范中并没有明说，但是同步方法也可是使用上面两个指令来实现

ReentrantLock

在基本用法上，ReentrantLock和Synchronized很相似

相比Synchronized，ReentrantLock增加了如下功能：

  • 等待可中断
    • 顾名思义，就是等待中的线程可以选择放弃等待，转而做其他事
    • 对于执行时间长的同步块很有帮助
  • 可实现公平锁
    • 什么是公平？先来后到算一个，谁先申请，谁就先拿，按照申请锁的顺序来排序获取锁的顺序
    • 但是非公平锁，比如Synchronized就不是，他是随机的
    • ReentrantLock 默认也是非公平锁，但是可以通过带布尔值的构造函数来实现公平锁
  • 锁可以绑定多个条件
    • 指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，
    • 在Synchronized 中，锁对象的 wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多余一个条件关联的时候，就不得不额外添加一个锁
    • ReentrantLock 无须这样做，只需要多次调用newCondition()方法就行

选择

在最新的版本中，对于Synchronized 的优化非常大，性能已经和ReentrantLock差不太多，所以如果不是使用那些高级功能，还是建议使用 synchronized。毕竟后面还是会大力优化Synchronized

下面是JDK8下，二者性能对比（前者是自增，后者是链表）

非阻塞同步—乐观锁

乐观锁不需要线程挂起等待，所以也叫非阻塞同步

版本号机制

一般在一个数据表中加一个 version字段，表示这个数据被更新的次数，当这个数据被修改一次，版本号就加一。

条件

提交版本必须大于当前记录的版本

举个例子

我现在银行账户有 10元，现在有一个version字段，版本号为 1.

现在我A操作取出2元，我先读入数据 version =1，然后扣除

与此同时，B操作也要取出1元，读入数据 version =1，然后扣除

这个时候，A操作完成，上传数据，版本号加一，version=2，这个版本大于当前的记录值 1，所以更新操作完成

这个时候，B操作也完成了，也要更新，他的版本号加一，version=2，然后更新的时候发现这个版本号和当前记录的版本号相同，不满足提交版本号必须大于当前记录的版本号的条件，不允许更新

这个时候，B操作就要重新读入再重复之前的步骤

通过这样的方法，我们就保证了B操作不会将A操作所更新的值覆盖，保证了数据的同步

CAS算法

CAS算法是基于硬件的发展产生的。为什么呢，因为我们需要这两个原子步骤

  • 操作
  • 冲突检测

但是我们如何保证上面的两个步骤是安全的？肯定不能使用互斥同步，如果使用了也不是非阻塞式了。这个时候我们就要依赖硬件指令了，让看似很多步骤的命令，能够使用一条指令就能完成，比如：

  • 测试并设置
  • 获取并增加
  • 交换
  • 比较并交换（CAS）
  • 加载链接/条件存储（LL/SC)

前面的三条是很早之前就有的指令，后面的两条是现代的处理器才有的指令

步骤

CAS有三个数。

  • V,内存位置
  • A，旧值
  • B，新值

当且仅当V的值符合A的值的时候，处理器才会使用B值来更新V中的值；否则他就不执行更新。（上述比较和更新是一个原子操作）。一般情况下这个操作是自旋的，也就是会不断尝试，直到完成

CAS缺点

  • ABA问题
    • 因为他是要比较V中的值和A值是否相等（更准确的是V中的值是否发生变化），但是如果相等就能说明他没有发生变化吗?显然是不行的，因为这个V的值可能一开始是A，后面变成了B，然后又变成了A。显然这样子V的值和A是相等的，但是却发生了变化。
    • 解决方法，给他加个版本号。
      • 每次更新，版本加一。变成1A -> 2B -> 3A
      • 在JDK1.5之后，就有这个类AtomicStampedReference,然后可以使用compareAndSet方法。他首先检查当前引用是否为预期引用，然后检查当前标志是否等于预期标志
  • 循环时间长，开销大
    • 如果CAS不成功，他会一直消耗CPU的性能
    • 如果JVM能支持处理器提供的pause指令，性能会有一定提升
      • 他可以延迟流水线执行指令，使CPU不会消耗过多资源
      • 避免退出循环的时候，因为内存顺序冲突而导致流水线被清空，从而提高性能
  • 只能保证一个共享变量的原子操作
    • 如果操作一个共享变量，使用 CAS是可行的
    • 如果操作多个变量，那就需要使用锁或者把它整合成一个变量
      • JDK1.5之后，有AtomicReference类，可以把多个变量放到一个对象中，从而使用CAS操作

选择

悲观锁适合写，乐观锁适合读

  • 如果写操作多，会有很多线程冲突，那么这个时候选择悲观锁；如果读操作多，那么线程冲突比较少，这个时候选择乐观锁

原因

  • 写操作多，竞争资源情况多，CAS会因为自旋而浪费CPU资源
  • 读操作多，竞争资源情况少
    • 使用悲观锁会让线程阻塞，并且会让线程在用户态和内核态来回切换(可以看我这篇文章，Java与线程)
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