[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:

  • 在并发访问情形下,将会会出現脏读、不可重复读和幻读等读间题,为了应对哪些间题,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,都是亲戚亲戚朋友 定义出来的概念,都可不后能 认为是本身生活思想。觉得不仅仅是关系型数据库系统富含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等都是例如的概念。
  • 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处于的间题等。

并发控制

在计算机科学,有点儿是进程设计、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由于 的错误的本身生活机制。

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间题:

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,另曾经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。 产生你这名情形的由于 是将会曾经事务读入同一数据并一块儿修改,其中曾经事务提交的结果破坏了另曾经事务提交的结果,由于 其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处里的太少例如间题。

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

当并发事务一块儿访问曾经资源时,有将会由于 数据不一致,为何让需用本身生活机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁太少其中的本身生活机制。

在计算机科学中,锁是在执行多进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、按加锁土依据划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用土依据划分,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状,如表、索引等的形状定义。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

常用的锁机制有本身生活:

1、悲观锁:假定会处于并发冲突,屏蔽一切将会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;悲观锁会由于 其它所有需用锁的进程挂起,守候持有锁的进程释放锁。

2、乐观锁:假设太少处于并发冲突,每次不加锁太少假设这麼 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是不是违反数据完正性。将会将会冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加曾经版本标识,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曾经 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一块儿读出,以后更新时,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,将会提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,为何让认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是这麼处里要素脏读的间题,例如ABA间题(下面会讲到)。

在实际生产环境后边,将会并发量不大且不允许脏读,都可不后能 使用悲观锁处里并发间题;但将会系统的并发非常大一句话,悲观锁定会带来非常大的性能间题,太少有亲戚亲戚朋友 就要选泽乐观锁定的土依据。

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(又名“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是本身生活并发控制的土依据。它都可不后能 阻止曾经事务以影响一点用户的土依据来修改数据。将会曾经事务执行的操作都某行数据应用了锁,那这麼当你这名事务把锁释放,一点事务才都都都可不后能 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,以及处于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(包括本系统当前的一点事务,以及来自内外部系统的事务处里)修改持保守态度(悲观),为何让,在整个数据处里过程中,将数据处于锁定情形。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也这麼数据库层提供的锁机制都都可不后能 真正保证数据访问的排他性,为何让,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内外部系统太少修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录加在排他锁(exclusive locking)。

将会加锁失败,说明该记录正在被修改,这麼 当前查询将会要守候将会抛出异常。 具体响应土依据由开发者根据实际需用决定。

将会成功加锁,这麼 就都可不后能 对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间将会有一点对该记录做修改或加排他锁的操作,都是守候亲戚亲戚朋友 解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,亲戚亲戚朋友 需用关闭mysql数据库的自动提交属性,将会MySQL默认使用autocommit模式,也太少说,当你执行曾经更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.现在以后刚结速事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就都可不后能



)
//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;

后边的查询一句话中,亲戚亲戚朋友 使用了select…for update的土依据,另曾经就通过开启排他锁的土依据实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被亲戚亲戚朋友 锁定了,其它的事务需用等本次事务提交以后都都可不后能 执行。另曾经亲戚亲戚朋友 都可不后能 保证当前的数据太少被其它事务修改。

后边亲戚亲戚朋友 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过亲戚亲戚朋友 需用注意一点锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都是基于索引的,将会三根SQL一句话用这麼索引是太少使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点需用注意。

优点与不足

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。为何让在传输效率方面,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将会;另外,在只读型事务处里中将会太少产生冲突,也没必要使用锁,另曾经做这麼增加系统负载;还有会降低了并行性,曾经事务将会锁定了某行数据,一点事务就需用守候该事务处里完才都可不后能 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(又名“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是本身生活并发控制的土依据。它假设多用户并发的事务在处里时太少彼此互相影响,各事务都都都可不后能 在不产生锁的情形下处里该人 影响的那要素数据。在提交数据更新以后,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有这麼 一点事务又修改了该数据。将会一点事务有更新一句话,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形下太少造成冲突,太少有在数据进行提交更新的以后,才会正式对数据的冲突是不是进行检测,将会发现冲突了,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,在对数据库进行处里的以后,乐观锁太少会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的土依据太少记录数据版本。

数据版本,为数据增加的曾经版本标识。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。当亲戚亲戚朋友 提交更新的以后,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,将会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,为何让认为是过期数据。

实现数据版本有本身生活土依据,第本身生活是使用版本号,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,都可不后能 在数据初始化时指定曾经版本号,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};

优点与不足

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,为何让尽将会直接做下去,直到提交的以后才去锁定,太少有太少产生任何锁和死锁。但将会直接简单这麼 做,还是有将会会遇到不可预期的结果,例如曾经事务都读取了数据库的某一行,经过修改以后写回数据库,这时就遇到了间题。

三、CAS详解

在说CAS以后,亲戚亲戚朋友 不得不提一下Java的进程安全间题。

进程安全:

众所周知,Java是多进程的。为何让,Java对多进程的支持觉得是一把双刃剑。一旦涉及到多个进程操作共享资源的情形时,处里不好就将会产生进程安全间题。进程安全性将会是非常复杂的,在这麼 丰厚的同步的情形下,多个进程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java后边进行多进程通信的主要土依据太少共享内存的土依据,共享内存主要的关注点有曾经:可见性和有序性。加在复合操作的原子性,亲戚亲戚朋友 都可不后能 认为Java的进程安全性间题主要关注点有八个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)处里了可见性和有序性的间题,而锁处里了原子性的间题。这里不再完正介绍JMM及锁的一点相关知识。为何让亲戚亲戚朋友 要讨论曾经间题,那太少锁到底是都是有利无弊的?

3.1 锁处于的间题

Java在JDK1.5以后都是靠synchronized关键字保证同步的,你这名通过使用一致的锁定协议来协调对共享情形的访问,都可不后能 确保无论哪个进程持有共享变量的锁,都采用独占的土依据来访问哪些变量。独占锁觉得太少本身生活悲观锁,太少有都可不后能 说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制处于以下间题:

1) 在多进程竞争下,加锁、释放锁会由于 比较多的上下文切换和调度延时,引起性能间题。

2) 曾经进程持有锁会由于 其它所有需用此锁的进程挂起。

3) 将会曾经优先级高的进程守候曾经优先级低的进程释放锁会由于 优先级倒置,引起性能风险。

而另曾经更加有效的锁太少乐观锁。所谓乐观锁太少,每次不加锁太少假设这麼 冲突而去完成某项操作,将会将会冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是曾经更轻量级的同步机制,将会在使用哪些变量时太少处于上下文切换和进程调度等操作,为何让volatile这麼处里原子性间题,为何让当曾经变量依赖旧值时就这麼使用volatile变量。为何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)觉得是本身生活思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情形下太少造成冲突,太少有在数据进行提交更新的以后,才会正式对数据的冲突是不是进行检测,将会发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么去做。

后边提到的乐观锁的概念中觉得将会阐述了他的具体实现细节:

主要太少曾经步骤:冲突检测数据更新

觉得现土依据本身生活生活比较典型的太少Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个进程尝试使用CAS一块儿更新同曾经变量时,这麼其中曾经进程能更新变量的值,而其它进程都失败,失败的进程太少会被挂起,太少被告知这次竞争中失败,并都可不后能 再次尝试。

CAS 操作富含曾经操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。将会内存位置的值与预期原值相匹配,这麼 处里器会自动将该位置值更新为新值。为何让,处里器不做任何操作。无论哪种情形,它都是在 CAS 指令以后返回该位置的值。(在 CAS 的一点特殊情形下将仅返回 CAS 是不是成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该富含值 A;将会富含该值,则将 B 插进你这名位置;为何让,太少更改该位置,只问你你这名位置现在的值即可。”这名太好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,乐观锁是本身生活思想。CAS是你这名思想的本身生活实现土依据。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5以后Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是本身生活独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)太少建立在CAS之上的。相对于对于synchronized你这名阻塞算法,CAS是非阻塞算法的本身生活常见实现。太少有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,而太少害怕一点进程一块儿修改变量,将会将会一点进程修改变量,这麼 CAS会检测它(并失败),算法都可不后能 对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪些代替了锁定。

亲戚亲戚朋友 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在这麼 锁的情形下是怎么保证进程安全的。主要理解getAndIncrement土依据,该土依据的作用为宜 ++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需用借助volatile原语,保证进程间的数据是可见的(共享的)。另曾经在获取变量的值的以后都都可不后能 直接读取。为何让来看看++i是为何做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据为何让将此数据和+1后的结果进行CAS操作,将会成功就返回结果,为何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);
 }

整体的过程太少另曾经子的,利用CPU的CAS指令,一块儿借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用例如的形状完成的。

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

3.4 CAS会由于 “ABA间题”:

ABA间题:

aba实际上是乐观锁无法处里脏数据读取的本身生活体现。CAS算法实现曾经重要前提需用取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,这麼 在你这名时间差类会由于 数据的变化。

比如说曾经进程one从内存位置V中取出A,这以后另曾经进程two也从内存中取出A,为何让two进行了一点操作变成了B,为何让two又将V位置的数据变成A,这以后进程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,为何让one操作成功。尽管进程one的CAS操作成功,为何让不代表你这名过程太少这麼 间题的。

要素乐观锁的实现是通过版本号(version)的土依据来处里ABA间题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都是带上曾经版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就都可不后能 执行修改操作并对版本号执行+1操作,为何让就执行失败。将会每次操作的版本号都是随之增加,太少有太少出現ABA间题,将会版本号只会增加太少减少。

 将会链表的头在变化了两次后恢复了原值,为何让不代表链表就这麼 变化。为何让AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的曾经<Object,Boolean>的对,都可不后能 原子的修改Object将会Boolean的值,你这名数据形状在一点缓存将会情形描述中比较有用。你这名形状在单个将会一块儿修改Object/Boolean的以后都都都可不后能 有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护富含整数“标志”的对象引用,都可不后能 用原子土依据对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是本身生活例如<Object,int>的数据形状,觉得太少对对象(引用)的曾经并发计数(标记版本戳stamp)。为何让与AtomicInteger 不同的是,此数据形状都可不后能 携带曾经对象引用(Object),为何让都都都可不后能 对此对象和计数一块儿进行原子操作。

REFERENCE:

分类整理自以下博客:

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