乐观锁与悲观锁

2023-09-20 10:38:20

概述

悲观锁总会假设最坏的情况,乐观锁总会假设最好的情况。悲观锁和乐观锁最终都是为了保证线程的安全,避免在并发场景下的资源竞争问题,但是,相对于乐观锁,悲观锁对性能的影响更大!

悲观锁

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他线程。
高并发的场景下,激烈的锁竞争会造成线程阻塞,大量阻塞线程会导致系统的上下文切换,增加系统的性能开销。并且,悲观锁还可能会存在死锁问题,影响代码的正常运行。
线程切换意味着需要保存当前线程的上下文,留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。
sycchronized和ReenteantLock等独占锁都是悲观锁思想的实现。

乐观锁

共享资源每次被访问的时候不会出现问题,线程可以不停地执行,无需加锁也无需等待,只是在提交修改的时候去验证对应的资源(也就是数据)是否被其它线程修改了(具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法)。
比如atomic 包下的原子类就是使用CAS 实现的
在这里插入图片描述
LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好但是会消耗更多的空间

比较

高并发的场景下,乐观锁相比悲观锁来说,不存在锁竞争造成线程阻塞,也不会有死锁的问题,在性能上往往会更胜一筹。但是,如果冲突频繁发生(写占比非常多的情况),会频繁失败和重试(悲观锁的开销是固定的),这样同样会非常影响性能,导致 CPU 飙升。
不过,大量失败重试的问题也是可以解决的,像我们前面提到的 LongAdder以空间换时间的方式就解决了这个问题。

悲观锁

悲观锁通常多用于写比较多的情况下(多写场景,竞争激烈),这样可以避免频繁失败和重试影响性能,悲观锁的开销是固定的。不过,如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话(比如LongAdder),也是可以考虑使用乐观锁的,要视实际情况而定。

乐观锁

乐观锁通常多于写比较少的情况下(多读场景,竞争较少),这样可以避免频繁加锁影响性能。不过,乐观锁主要针对的对象是单个共享变量(参考java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类)。

如何实现乐观锁

版本号

一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段,表示数据被修改的次数。当数据被修改时,version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时,在读取数据的同时也会读取 version 值,在提交更新时,若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新,否则重试更新操作,直到更新成功。

CAS

CAS 的全称是 Compare And Swap(比较与交换) ,用于实现乐观锁,被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单,就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较,两值相等才会进行更新。
CAS 是一个原子操作,底层依赖于一条 CPU 的原子指令。原子操作 即最小不可拆分的操作,也就是说操作一旦开始,就不能被打断,直到操作完成。
CAS 涉及到三个操作数:

  1. V:要更新的变量值(Var)
  2. E:预期值(Expected)
  3. N:拟写入的新值(New)
    当且仅当 V 的值等于 E 时,CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等,说明已经有其它线程更新了 V,则当前线程放弃更新。

sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作

乐观锁存在的问题

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。

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的,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。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环开销大

CAS 经常会用到自旋操作来进行重试,也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功,会给 CPU 带来非常大的执行开销。
如果 JVM 能支持处理器提供的 pause 指令那么效率会有一定的提升,pause 指令有两个作用:

  1. 可以延迟流水线执行指令,使 CPU 不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。
  2. 可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲而引起 CPU 流水线被清空,从而提高 CPU 的执行效率。
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。

作者声明

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