【Java并发编程】之乐观锁和悲观锁

傷城~ 2023-02-23 03:53 31阅读 0赞

***小王呀，今天我们就来聊聊乐观锁和悲观锁吧，你先介绍一下它们两者的含义！***

好的！我先把**乐观锁**和**悲观锁**的含义贴出来吧！

### 乐观锁 ###

总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write\_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。

### 悲观锁 ###

总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

### PS：两种锁的使用场景 ###

从上面对两种锁的介绍，我们知道两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种，像**乐观锁适用于写比较少的情况下（多读场景）**，即冲突真的很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。但如果是多写的情况，一般会经常产生冲突，这就会导致上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以**一般多写的场景下用悲观锁就比较合适**。

***说一下什么是 CAS ?***

CAS（Compare And Swap 比较并且替换）是乐观锁的一种实现方式，是一种轻量级锁，JUC 中很多工具类的实现就是基于 CAS 的。

***CAS 是怎么实现线程安全的？***

线程在读取数据时不进行加锁，在准备写回数据时，先去查询原值，操作的时候比较原值是否修改，若未被其他线程修改则写回，若已被修改，则重新执行读取流程。

***CAS存在什么问题***

CAS存在的问题有：**ABA问题**、**循环时间长开销大的问题**以及**只能保证一个共享变量的原子操作**

**1、ABA问题**

如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为CAS操作的 **"ABA"问题。**

JDK 1.5 以后的 `AtomicStampedReference 类`就提供了此种能力，其中的 `compareAndSet 方法`就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

**2、循环时间长开销大**

因为CAS操作长时间不成功的话，会导致一直自旋，相当于死循环了，CPU的压力会很大。

**3、只能保证一个共享变量的原子操作**

CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

***举例说一下JUC包下的原子类如何实现CAS的***

就拿AtomicInteger举例，他的自增函数incrementAndGet（）就是这样实现的，其中就有大量循环判断的过程，直到符合条件才成功：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { 
        int var5;
        do { 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
        return var5;
    }

看到do while的循环没，大概意思就是循环判断给定偏移量是否等于内存中的偏移量，直到成功才退出。

***乐观锁在项目开发中的实践，有么？***

有的就比如我们在很多订单表，流水表，为了防止并发问题，就会加入CAS的校验过程，保证了线程的安全，但是看场景使用，并不是适用所有场景，他的优点缺点都很明显。

***那开发过程中ABA你们是怎么保证的？***

**加标志位**，例如搞个自增的字段，操作一次就自增加一，或者搞个时间戳，比较时间戳的值。

***说一下悲观锁吧***

我们以 JVM 层面的 synchronized 为例介绍一下，synchronized 是最常用的线程同步手段之一，上面提到的CAS是乐观锁的实现，synchronized就是悲观锁了。

***它是如何保证同一时刻只有一个线程可以进入临界区呢？***

synchronized，代表这个方法加锁，相当于不管哪一个线程（例如线程A），运行到这个方法时,都要检查有没有其它线程B（或者C、 D等）正在用这个方法(或者该类的其他同步方法)，有的话要等正在使用synchronized方法的线程B（或者C 、D）运行完这个方法后再运行此线程A，没有的话，锁定调用者，然后直接运行。

从他对对象、方法和代码块三方面加锁，去介绍他怎么保证线程安全的：

*  synchronized 对对象进行加锁，在 JVM 中，对象在内存中分为三块区域：**对象头**（Header）、实例数据（Instance Data）和 **对齐填充**（Padding）
 *  **对象头**：我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针），在对象头中保存了锁标志位和指向 monitor 对象的起始地址，当 Monitor 被某个线程持有后，就会处于锁定状态。另外 Monitor 中还有两个队列分别是EntryList和WaitList，主要是用来存放进入及等待获取锁的线程，如果线程进入，则得到当前对象锁，那么别的线程在该类所有对象上的任何操作都不能进行。
 *  **Mark Word**：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化
 *  **Klass Point**：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

***synchronized 锁升级***

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁，但是，随着 Java SE 1.6 对 synchronized 进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重，Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁。

针对 synchronized 获取锁的方式，JVM 使用了锁升级的优化方式，就是先使用**偏向锁**优先同一线程然后再次获取锁，如果失败，就升级为 **CAS 轻量级锁**，如果失败就会短暂自旋，防止线程被系统挂起。最后如果以上都失败就升级为**重量级锁**。（**对了锁只能升级，不能降级**）

***还有其他的同步手段么？***

还有 ReentrantLock，但在介绍这玩意之前，我觉得我有必要先介绍AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。

**AQS**：也就是队列同步器，这是实现 ReentrantLock 的基础。

AQS 有一个 state 标记位，值为1 时表示有线程占用，其他线程需要进入到同步队列等待，同步队列是一个双向链表。

当获得锁的线程需要等待某个条件时，会进入 condition 的等待队列，等待队列可以有多个。

当 condition 条件满足时，线程会从等待队列重新进入同步队列进行获取锁的竞争。

ReentrantLock 就是基于 AQS 实现的，ReentrantLock 内部有公平锁和非公平锁两种实现，差别就在于新来的线程是否比已经在同步队列中的等待线程更早获得锁。

和 ReentrantLock 实现方式类似，Semaphore 也是基于 AQS 的，差别在于 ReentrantLock 是**独占锁**，Semaphore 是**共享锁**。

ReentrantLock里面有一个内部类Sync，Sync继承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在Sync中实现的。ReentrantLock 有公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync两个子类，ReentrantLock默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显示的指定使用公平锁。