[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:

  • 在并发访问情况表下,肯能会再次经常出现脏读、不可重复读和幻读等读间题图片,为了应对哪些间题图片,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同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 我们歌词 都 定义出来的概念,可不可不可否认为是一种生活思想。实在不仅仅是关系型数据库系统含晒 乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等都不 同类的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍哪些是CAS、CAS的应用以及CAS居于的间题图片等。

并发控制

在计算机科学,特别是系统任务管理器设计、操作系统、多处理机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作愿因的错误的一种生活机制。

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同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图片:

现有两处火车票售票点,一同读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点一同卖出一张车票,一同修改余额为 X -1写回数据库,原本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。 产生这一 情况表的愿因是肯能另一个 事务读入同一数据并一同修改,其中另一个 事务提交的结果破坏了原本事务提交的结果,愿因其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处理的什么都 同类间题图片。

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

当并发事务一同访问另一个 资源时,有肯能愿因数据不一致,而且需要一种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。锁什么都 其中的一种生活机制。

在计算机科学中,锁是在执行多系统任务管理器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、按加锁措施划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用措施划分,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,如表、索引等的形态定义。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生活:

1、悲观锁:假定会居于并发冲突,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;悲观锁会愿因其它所有需要锁的系统任务管理器挂起,听候持有锁的系统任务管理器释放锁。

2、乐观锁:假设无需居于并发冲突,每次不加锁什么都 假设并能 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是是不是违反数据完整版性。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。为数据增加另一个 版本标识,比如在基于数据库表的版本处理方案中,一般是通过为数据库表增加另一个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一同读出,以前更新时,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,而且认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是并能处理帕累托图脏读的间题图片,同类ABA间题图片(下面会讲到)。

在实际生产环境上面,肯能并发量不大且不允许脏读,可不可不可否使用悲观锁处理并发间题图片;但肯能系统的并发非常大得话,悲观锁定会带来非常大的性能间题图片,什么都 我们歌词 都 就要选取 乐观锁定的措施。

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”)是一种生活并发控制的措施。它可不可不可否阻止另一个 事务以影响其他用户的措施来修改数据。肯能另一个 事务执行的操作都某行数据应用了锁,那并能当这一 事务把锁释放,其他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,以及居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(包括本系统当前的其他事务,以及来自内部人员系统的事务处理)修改持保守态度(悲观),而且,在整个数据处理过程中,将数据居于锁定情况表。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (可是能数据库层提供的锁机制并能真正保证数据访问的排他性,而且,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内部人员系统无需修改数据)

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,并能 当前查询肯能要听候肯能抛出异常。 具体响应措施由开发者根据实际需要决定。

肯能成功加锁,并能 就可不可不可否对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间肯能有其他对该记录做修改或加排他锁的操作,都不 听候我们歌词 都 解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,我们歌词 都 需要关闭mysql数据库的自动提交属性,肯能MySQL默认使用autocommit模式,也什么都 说,当你执行另一个 更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.刚始于事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就可不可不可否)
//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;

上面的查询得话中,我们歌词 都 使用了select…for update的措施,原本就通过开启排他锁的措施实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被我们歌词 都 锁定了,其它的事务需要等本次事务提交以前并能执行。原本我们歌词 都 可不可不可否保证当前的数据无需被其它事务修改。

上面我们歌词 都 提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过我们歌词 都 需要注意其他锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁都不 基于索引的,肯能一根 SQL得话用并能索引是无需使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点需要注意。

优点与缺乏

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据处理的安全提供了保证。而且在强度方面,处理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,在只读型事务处理中肯能无需产生冲突,也没必要使用锁,原本做并能增加系统负载;还有会降低了并行性,另一个 事务肯能锁定了某行数据,其他事务就需要听候该事务处理完才可不可不可否处理那行数

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”)是一种生活并发控制的措施。它假设多用户并发的事务在处理时无需彼此互相影响,各事务并能在不产生锁的情况表下处理个人影响的那帕累托图数据。在提交数据更新以前,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有并能 其他事务又修改了该数据。肯能其他事务有更新得话,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表下无需造成冲突,什么都 在数据进行提交更新的以前,才会正式对数据的冲突是是不是进行检测,肯能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如保去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行处理的以前,乐观锁不须会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的措施什么都 记录数据版本。

数据版本,为数据增加的另一个 版本标识。当读取数据时,将版本标识的值一同读出,数据每更新一次,一同对版本标识进行更新。我们歌词 都 歌词 提交更新的以前,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,而且认为是过期数据。

实现数据版本有一种生活措施,第一种生活是使用版本号,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,可不可不可否在数据初始化时指定另一个 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};

优点与缺乏

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,而且尽肯能直接做下去,直到提交的以前才去锁定,什么都 无需产生任何锁和死锁。但肯能直接简单并能 做,还是有肯能会遇到不可预期的结果,同类另一个 事务都读取了数据库的某一行,经过修改以前写回数据库,这时就遇到了间题图片。

三、CAS详解

在说CAS以前,我们歌词 都 不得不提一下Java的系统任务管理器安全间题图片。

系统任务管理器安全:

众所周知,Java是多系统任务管理器的。而且,Java对多系统任务管理器的支持实在是一把双刃剑。一旦涉及到多个系统任务管理器操作共享资源的情况表时,处理不好就肯能产生系统任务管理器安全间题图片。系统任务管理器安全性肯能是非常繁复的,在并能 富足的同步的情况表下,多个系统任务管理器中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上面进行多系统任务管理器通信的主要措施什么都 共享内存的措施,共享内存主要的关注点另一个 :可见性和有序性。再加复合操作的原子性,我们歌词 都 可不可不可否认为Java的系统任务管理器安全性间题图片主要关注点有十个 :可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)处理了可见性和有序性的间题图片,而锁处理了原子性的间题图片。这里不再完整版介绍JMM及锁的其他相关知识。而且我们歌词 都 要讨论另一个 间题图片,那什么都 锁到底是都不 有利无弊的?

3.1 锁居于的间题图片

Java在JDK1.5以前都不 靠synchronized关键字保证同步的,这一 通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况表的访问,可不可不可否确保无论哪个系统任务管理器持有共享变量的锁,都采用独占的措施来访问哪些变量。独占锁实在什么都 一种生活悲观锁,什么都 可不可不可否说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制居于以下间题图片:

1) 在多系统任务管理器竞争下,加锁、释放锁会愿因比较多的上下文切换和调度延时,引起性能间题图片。

2) 另一个 系统任务管理器持有锁会愿因其它所有需要此锁的系统任务管理器挂起。

3) 肯能另一个 优先级高的系统任务管理器听候另一个 优先级低的系统任务管理器释放锁会愿因优先级倒置,引起性能风险。

而原本更加有效的锁什么都 乐观锁。所谓乐观锁什么都 ,每次不加锁什么都 假设并能 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变量是另一个 更轻量级的同步机制,肯能在使用哪些变量时无需居于上下文切换和系统任务管理器调度等操作,而且volatile并能处理原子性间题图片,而且当另一个 变量依赖旧值时就并能使用volatile变量。而且对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)实在是一种生活思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下无需造成冲突,什么都 在数据进行提交更新的以前,才会正式对数据的冲突是是不是进行检测,肯能发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定如保去做。

上面提到的乐观锁的概念中实在肯能阐述了他的具体实现细节:

主要什么都 另一个 步骤:冲突检测数据更新

实在现措施有一种生活比较典型的什么都 Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个系统任务管理器尝试使用CAS一同更新同另一个 变量时,并能其中另一个 系统任务管理器能更新变量的值,而其它系统任务管理器都失败,失败的系统任务管理器不须会被挂起,什么都 被告知这次竞争中失败,并可不可不可否再次尝试。

CAS 操作含晒 另一个 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,并能 处理器会自动将该位置值更新为新值。而且,处理器不做任何操作。无论哪种情况表,它都不 在 CAS 指令以前返回该位置的值。(在 CAS 的其他特殊情况表下将仅返回 CAS 是是不是成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该含晒 值 A;肯能含晒 该值,则将 B 中放这一 位置;而且,不须更改该位置,只问你这一 位置现在的值即可。”这实在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,乐观锁是一种生活思想。CAS是这一 思想的一种生活实现措施。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5以前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是一种生活独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)什么都 建立在CAS之上的。相对于对于synchronized这一 阻塞算法,CAS是非阻塞算法的一种生活常见实现。什么都 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,而无需害怕其他系统任务管理器一同修改变量,肯能肯能其他系统任务管理器修改变量,并能 CAS会检测它(并失败),算法可不可不可否对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪些代替了锁定。

我们歌词 都 以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在并能 锁的情况表下是如保保证系统任务管理器安全的。主要理解getAndIncrement措施,该措施的作用相当于  ++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需要借助volatile原语,保证系统任务管理器间的数据是可见的(共享的)。原本在获取变量的值的以前并能直接读取。而且来看看++i是为甚会么会做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据而且将此数据和+1后的结果进行CAS操作,肯能成功就返回结果,而且重试直到成功为止。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);
 }

整体的过程什么都 原本子的,利用CPU的CAS指令,一同借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都不 利用同类的形态完成的。

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

3.4 CAS会愿因“ABA间题图片”:

ABA间题图片:

aba实际上是乐观锁无法处理脏数据读取的一种生活体现。CAS算法实现另一个 重要前提需要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,并能 在这一 时间差类会愿因数据的变化。

比如说另一个 系统任务管理器one从内存位置V中取出A,这以前原本系统任务管理器two也从内存中取出A,而且two进行了其他操作变成了B,而且two又将V位置的数据变成A,这以前系统任务管理器one进行CAS操作发现内存中仍然是A,而且one操作成功。尽管系统任务管理器one的CAS操作成功,而且不代表这一 过程什么都 并能 间题图片的。

帕累托图乐观锁的实现是通过版本号(version)的措施来处理ABA间题图片,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都不 带上另一个 版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可不可不可否执行修改操作并对版本号执行+1操作,而且就执行失败。肯能每次操作的版本号都不 随之增加,什么都 无需再次经常出现ABA间题图片,肯能版本号只会增加无需减少。

 肯能链表的头在变化了两次后恢复了原值,而且不代表链表就并能 变化。而且AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的另一个 <Object,Boolean>的对,可不可不可否原子的修改Object肯能Boolean的值,这一 数据形态在其他缓存肯能情况表描述中比较有用。这一 形态在单个肯能一同修改Object/Boolean的以前并能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护含晒 整数“标志”的对象引用,可不可不可否用原子措施对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是一种生活同类<Object,int>的数据形态,实在什么都 对对象(引用)的另一个 并发计数(标记版本戳stamp)。而且与AtomicInteger 不同的是,此数据形态可不可不可否携带另一个 对象引用(Object),而且并能对此对象和计数一同进行原子操作。

REFERENCE:

埋点自以下博客:

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/18300954