[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:

  • 在并发访问情况报告下,肯能会突然出现脏读、不可重复读和幻读等读那些的什么的问题,为了应对那些那些的什么的问题,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起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,都不 你们 定义出来的概念,能没人 认为是一种思想。随便说说不仅仅是关系型数据库系统饱含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等都不 之类的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍那些是CAS、CAS的应用以及CAS所处的那些的什么的问题等。

并发控制

在计算机科学,很重是系统程序设计、操作系统、多处里机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作原困的错误的一种机制。

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一起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那些的什么的问题:

现有两处火车票售票点,一起读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点一起卖出一张车票,一起修改余额为 X -1写回数据库,那我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。 产生所以情况报告的原困是肯能一2个 事务读入同一数据并一起修改,其中一2个 事务提交的结果破坏了那我事务提交的结果,原困其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处里的所以所以之类那些的什么的问题。

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

当并发事务一起访问一2个 资源时,有肯能原困数据不一致,有然后 没人 一种机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁所以所以其中的一种机制。

在计算机科学中,锁是在执行多系统程序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、按加锁土法律法律依据划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用土法律法律依据划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的完整版性,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学 ,如表、索引等的形态学 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

常用的锁机制有一种:

1、悲观锁:假定会所处并发冲突,屏蔽一切肯能违反数据完整版性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会原困其它所有没人 锁的系统程序挂起,等待歌曲持有锁的系统程序释放锁。

2、乐观锁:假设不用所处并发冲突,每次不加锁所以所以假设没人 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是否违反数据完整版性。肯能肯能冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加一2个 版本标识,比如在基于数据库表的版本处里方案中,一般是通过为数据库表增加一2个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一起读出,完后 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,肯能提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,有然后 认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是没人 处里部分脏读的那些的什么的问题,之类ABA那些的什么的问题(下面会讲到)。

在实际生产环境里边,肯能并发量不大且不允许脏读,能没人 使用悲观锁处里并发那些的什么的问题;但肯能系统的并发非常大的话,悲观锁定会带来非常大的性能那些的什么的问题,所以所以你们 就要选折 乐观锁定的土法律法律依据。

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(叫华“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是一种并发控制的土法律法律依据。它能没人 阻止一2个 事务以影响所以用户的土法律法律依据来修改数据。肯能一2个 事务执行的操作都某行数据应用了锁,那没人 当所以事务把锁释放,所以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,以及所处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(包括本系统当前的所以事务,以及来自內部系统的事务处里)修改持保守态度(悲观),有然后 ,在整个数据处里过程中,将数据所处锁定情况报告。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也没人 数据库层提供的锁机制并能真正保证数据访问的排他性,有然后 ,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证內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,先尝试为该记录再加排他锁(exclusive locking)。

肯能加锁失败,说明该记录正在被修改,没人 当前查询肯能要等待歌曲肯能抛出异常。 具体响应土法律法律依据由开发者根据实际没人 决定。

肯能成功加锁,没人 就能没人 对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间肯能有所以对该记录做修改或加排他锁的操作,都不 等待歌曲你们 解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,你们 没人 关闭mysql数据库的自动提交属性,肯能MySQL默认使用autocommit模式,也所以所以说,当你执行一2个 更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始英语

事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就能没人

)
//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;

里边的查询的话中,你们 使用了select…for update的土法律法律依据,那我就通过开启排他锁的土法律法律依据实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被你们 锁定了,其它的事务没人 等本次事务提交完后 并能执行。那我你们 能没人 保证当前的数据不用被其它事务修改。

里边你们 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过你们 没人 注意所以锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都不 基于索引的,肯能一根绳子 SQL的话用没人 索引是不用使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点没人 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,为数据处里的安全提供了保证。有然后 在带宽方面,处里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肯能;另外,在只读型事务处里中肯能不用产生冲突,也没必要使用锁,那我做没人 增加系统负载;还有会降低了并行性,一2个 事务肯能锁定了某行数据,所以事务就没人 等待歌曲该事务处里完并能没人 处里那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫华“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是一种并发控制的土法律法律依据。它假设多用户并发的事务在处里时不用彼此互相影响,各事务并能在不产生锁的情况报告下处里各自 影响的那部分数据。在提交数据更新完后 ,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没人 所以事务又修改了该数据。肯能所以事务有更新的话,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报告下不用造成冲突,所以所以在数据进行提交更新的完后 ,才会正式对数据的冲突是否进行检测,肯能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定咋样去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行处里的完后 ,乐观锁从不用使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的土法律法律依据所以所以记录数据版本。

数据版本,为数据增加的一2个 版本标识。当读取数据时,将版本标识的值一起读出,数据每更新一次,一起对版本标识进行更新。当你们 提交更新的完后 ,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,肯能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,有然后 认为是过期数据。

实现数据版本有一种土法律法律依据,第一种是使用版本号,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,能没人 在数据初始化时指定一2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都不 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,有然后 尽肯能直接做下去,直到提交的完后 才去锁定,所以所以不用产生任何锁和死锁。但肯能直接简单没人 做,还是有肯能会遇到不可预期的结果,之类一2个 事务都读取了数据库的某一行,经过修改完后 写回数据库,这时就遇到了那些的什么的问题。

三、CAS详解

在说CAS完后 ,你们 不得不提一下Java的系统程序安全那些的什么的问题。

系统程序安全:

众所周知,Java是多系统程序的。有然后 ,Java对多系统程序的支持随便说说是一把双刃剑。一旦涉及到多个系统程序操作共享资源的情况报告时,处里不好就肯能产生系统程序安全那些的什么的问题。系统程序安全性肯能是非常僵化 的,在没人 丰沛 的同步的情况报告下,多个系统程序中的操作执行顺序是不可预测的。

Java里边进行多系统程序通信的主要土法律法律依据所以所以共享内存的土法律法律依据,共享内存主要的关注点有一2个 :可见性和有序性。再加复合操作的原子性,你们 能没人 认为Java的系统程序安全性那些的什么的问题主要关注点有十个 :可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)处里了可见性和有序性的那些的什么的问题,而锁处里了原子性的那些的什么的问题。这里不再完整版介绍JMM及锁的所以相关知识。有然后 你们 要讨论一2个 那些的什么的问题,那所以所以锁到底是都不 有利无弊的?

3.1 锁所处的那些的什么的问题

Java在JDK1.5完后 都不 靠synchronized关键字保证同步的,所以通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况报告的访问,能没人 确保无论哪个系统程序持有共享变量的锁,都采用独占的土法律法律依据来访问那些变量。独占锁随便说说所以所以一种悲观锁,所以所以能没人 说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制所处以下那些的什么的问题:

1) 在多系统程序竞争下,加锁、释放锁会原困比较多的上下文切换和调度延时,引起性能那些的什么的问题。

2) 一2个 系统程序持有锁会原困其它所有没人 此锁的系统程序挂起。

3) 肯能一2个 优先级高的系统程序等待歌曲一2个 优先级低的系统程序释放锁会原困优先级倒置,引起性能风险。

而那我更加有效的锁所以所以乐观锁。所谓乐观锁所以所以,每次不加锁所以所以假设没人 冲突而去完成某项操作,肯能肯能冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是一2个 更轻量级的同步机制,肯能在使用那些变量时不用所处上下文切换和系统程序调度等操作,有然后 volatile没人 处里原子性那些的什么的问题,有然后 当一2个 变量依赖旧值时就没人 使用volatile变量。有然后 对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)随便说说是一种思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况报告下不用造成冲突,所以所以在数据进行提交更新的完后 ,才会正式对数据的冲突是否进行检测,肯能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定咋样去做。

里边提到的乐观锁的概念中随便说说肯能阐述了他的具体实现细节:

主要所以所以一2个 步骤:冲突检测数据更新

随便说说现土法律法律依据有一种比较典型的所以所以Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个系统程序尝试使用CAS一起更新同一2个 变量时,没人 其中一2个 系统程序能更新变量的值,而其它系统程序都失败,失败的系统程序从不用被挂起,所以所以被告知这次竞争中失败,并能没人 再次尝试。

CAS 操作饱含一2个 操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。肯能内存位置的值与预期原值相匹配,没人 处里器会自动将该位置值更新为新值。有然后 ,处里器不做任何操作。无论哪种情况报告,它都不 在 CAS 指令完后 返回该位置的值。(在 CAS 的所以特殊情况报告下将仅返回 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 应该饱含值 A;肯能饱含该值,则将 B 放在所以位置;有然后 ,从不更改该位置,只不知道所以位置现在的值即可。”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,乐观锁是一种思想。CAS是所以思想的一种实现土法律法律依据。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5完后 Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)所以所以建立在CAS之上的。相对于对于synchronized所以阻塞算法,CAS是非阻塞算法的一种常见实现。所以所以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,而不用害怕所以系统程序一起修改变量,肯能肯能所以系统程序修改变量,没人 CAS会检测它(并失败),算法能没人 对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用那些代替了锁定。

你们 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在没人 锁的情况报告下是咋样保证系统程序安全的。主要理解getAndIncrement土法律法律依据,该土法律法律依据的作用离米  ++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没人 借助volatile原语,保证系统程序间的数据是可见的(共享的)。那我在获取变量的值的完后 并能直接读取。有然后 来看看++i是为甚做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据有然后 将此数据和+1后的结果进行CAS操作,肯能成功就返回结果,有然后 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);
 }

整体的过程所以所以那我子的,利用CPU的CAS指令,一起借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都不 利用之类的形态学 完成的。

而整个J.U.C都不 建立在CAS之上的,有然后 对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会原困“ABA那些的什么的问题”:

ABA那些的什么的问题:

aba实际上是乐观锁无法处里脏数据读取的一种体现。CAS算法实现一2个 重要前提没人 取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,没人 在所以时间差类会原困数据的变化。

比如说一2个 系统程序one从内存位置V中取出A,这完后 那我系统程序two也从内存中取出A,有然后 two进行了所以操作变成了B,有然后 two又将V位置的数据变成A,这完后 系统程序one进行CAS操作发现内存中仍然是A,有然后 one操作成功。尽管系统程序one的CAS操作成功,有然后 不代表所以过程所以所以没人 那些的什么的问题的。

部分乐观锁的实现是通过版本号(version)的土法律法律依据来处里ABA那些的什么的问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都不 带上一2个 版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就能没人 执行修改操作并对版本号执行+1操作,有然后 就执行失败。肯能每次操作的版本号都不 随之增加,所以所以不用突然出现ABA那些的什么的问题,肯能版本号只会增加不用减少。

 肯能链表的头在变化了两次后恢复了原值,有然后 不代表链表就没人 变化。有然后 AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的一2个 <Object,Boolean>的对,能没人 原子的修改Object肯能Boolean的值,所以数据形态学 在所以缓存肯能情况报告描述中比较有用。所以形态学 在单个肯能一起修改Object/Boolean的完后 并能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护饱含整数“标志”的对象引用,能没人 用原子土法律法律依据对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是一种之类<Object,int>的数据形态学 ,随便说说所以所以对对象(引用)的一2个 并发计数(标记版本戳stamp)。有然后 与AtomicInteger 不同的是,此数据形态学 能没人 携带一2个 对象引用(Object),有然后 并能对此对象和计数一起进行原子操作。

REFERENCE:

整理自以下博客:

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/18200954