[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,将会会出先脏读、不可重复读和幻读等读有哪些的问题报告 ,为了应对有有哪些有哪些的问题报告 ,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并肩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,全版一定会当我们 都定义出来的概念,不能认为是某种 思想。实在不仅仅是关系型数据库系统暗含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等全版一定会例如 的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍有哪些是CAS、CAS的应用以及CAS位于的有哪些的问题报告 等。

并发控制

在计算机科学,有点痛 是守护进程设计、操作系统、多处置机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作是因为的错误的某种 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并肩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有哪些的问题报告 :

现有两处火车票售票点,并肩读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点并肩卖出一张车票,并肩修改余额为 X -1写回数据库,如此 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。 产生这名 情况表的是因为是将会两个多多事务读入同一数据并并肩修改,其含两个多多事务提交的结果破坏了如此 事务提交的结果,是因为其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要处置的并且 例如 有哪些的问题报告 。

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

当并发事务并肩访问两个多多资源时,有将会是因为数据不一致,这名前要某种 机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁并且 其中的某种 机制。

在计算机科学中,锁是在执行多守护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、按加锁最好的妙招划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用最好的妙招划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的全版性,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

常用的锁机制有某种 :

1、悲观锁:假定会位于并发冲突,屏蔽一切将会违反数据全版性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会是因为其它所有前要锁的守护进程挂起,守候持有锁的守护进程释放锁。

2、乐观锁:假设不用位于并发冲突,每次不加锁并且 假设如此 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查是否是违反数据全版性。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。为数据增加两个多多版本标识,比如在基于数据库表的版本处置方案中,一般是通过为数据库表增加两个多多 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号并肩读出,并且 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,这名认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是如此 处置偏离 脏读的有哪些的问题报告 ,例如 ABA有哪些的问题报告 (下面会讲到)。

在实际生产环境后面 ,将会并发量不大且不允许脏读,不能使用悲观锁处置并发有哪些的问题报告 ;但将会系统的并发非常大搞笑的话,悲观锁定会带来非常大的性能有哪些的问题报告 ,什么都当我们 都就要选泽乐观锁定的最好的妙招。

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(名叫“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是某种 并发控制的最好的妙招。它不能阻止两个多多事务以影响这名用户的最好的妙招来修改数据。将会两个多多事务执行的操作都某行数据应用了锁,那如此 当这名 事务把锁释放,这名事务才不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,以及位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(包括本系统当前的这名事务,以及来自内部系统的事务处置)修改持保守态度(悲观),这名,在整个数据处置过程中,将数据位于锁定情况表。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也如此 数据库层提供的锁机制不能真正保证数据访问的排他性,这名,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证内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,先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)。

将会加锁失败,说明该记录正在被修改,如此 当前查询将会要守候将会抛出异常。 具体响应最好的妙招由开发者根据实际前要决定。

将会成功加锁,如此 就不能对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间将会有这名对该记录做修改或加排他锁的操作,一定会守候当我们 都解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,当我们 都前要关闭mysql数据库的自动提交属性,将会MySQL默认使用autocommit模式,也并且 说,当你执行两个多多更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始英文事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就不能)
//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;

后面 的查询搞笑的话中,当我们 都使用了select…for update的最好的妙招,如此 就通过开启排他锁的最好的妙招实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被当我们 都锁定了,其它的事务前要等本次事务提交并且 不能执行。如此 当我们 都不能保证当前的数据不用被其它事务修改。

后面 当我们 都提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过当我们 都前要注意这名锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁全版一定会基于索引的,将会三根SQL搞笑的话用如此 索引是不用使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点前要注意。

优点与过低

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据处置的安全提供了保证。这名在波特率方面,处置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,在只读型事务处置中将会不用产生冲突,也没必要使用锁,如此 做如此 增加系统负载;还有会降低了并行性,两个多多事务将会锁定了某行数据,这名事务就前要守候该事务处置完才不能处置那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(名叫“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是某种 并发控制的最好的妙招。它假设多用户并发的事务在处置时不用彼此互相影响,各事务不能在不产生锁的情况表下处置个人所有影响的那偏离 数据。在提交数据更新并且 ,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有如此 这名事务又修改了该数据。将会这名事务有更新搞笑的话,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表下不用造成冲突,什么都在数据进行提交更新的并且 ,才会正式对数据的冲突是否是进行检测,将会发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么才能 才能 去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行处置的并且 ,乐观锁无须会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的最好的妙招并且 记录数据版本。

数据版本,为数据增加的两个多多版本标识。当读取数据时,将版本标识的值并肩读出,数据每更新一次,并肩对版本标识进行更新。当我们 歌词 都提交更新的并且 ,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,这名认为是过期数据。

实现数据版本有某种 最好的妙招,第某种 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,不能在数据初始化时指定两个多多版本号,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全版一定会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};

优点与过低

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,这名尽将会直接做下去,直到提交的并且 才去锁定,什么都不用产生任何锁和死锁。但将会直接简单如此 做,还是有将会会遇到不可预期的结果,例如 两个多多事务都读取了数据库的某一行,经过修改并且 写回数据库,这时就遇到了有哪些的问题报告 。

三、CAS详解

在说CAS并且 ,当我们 都是得不提一下Java的守护进程安全有哪些的问题报告 。

守护进程安全:

众所周知,Java是多守护进程的。这名,Java对多守护进程的支持实在是一把双刃剑。一旦涉及到多个守护进程操作共享资源的情况表时,处置不好就将会产生守护进程安全有哪些的问题报告 。守护进程安全性将会是非常繁复的,在如此 充沛的同步的情况表下,多个守护进程中的操作执行顺序是不可预测的。

Java后面 进行多守护进程通信的主要最好的妙招并且 共享内存的最好的妙招,共享内存主要的关注点有两个多多:可见性和有序性。加上复合操作的原子性,当我们 都不能认为Java的守护进程安全性有哪些的问题报告 主要关注点有十个 :可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)处置了可见性和有序性的有哪些的问题报告 ,而锁处置了原子性的有哪些的问题报告 。这里不再全版介绍JMM及锁的这名相关知识。这名当我们 都是讨论两个多多有哪些的问题报告 ,那并且 锁到底是全版一定会有利无弊的?

3.1 锁位于的有哪些的问题报告

Java在JDK1.5并且 全版一定会靠synchronized关键字保证同步的,这名 通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况表的访问,不能确保无论哪个守护进程持有共享变量的锁,都采用独占的最好的妙招来访问有有哪些变量。独占锁实在并且 某种 悲观锁,什么都不能说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制位于以下有哪些的问题报告 :

1) 在多守护进程竞争下,加锁、释放锁会是因为比较多的上下文切换和调度延时,引起性能有哪些的问题报告 。

2) 两个多多守护进程持有锁会是因为其它所有前要此锁的守护进程挂起。

3) 将会两个多多优先级高的守护进程守候两个多多优先级低的守护进程释放锁会是因为优先级倒置,引起性能风险。

而如此 更加有效的锁并且 乐观锁。所谓乐观锁并且 ,每次不加锁并且 假设如此 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变量是两个多多更轻量级的同步机制,将会在使用有有哪些变量时不用位于上下文切换和守护进程调度等操作,这名volatile如此 处置原子性有哪些的问题报告 ,这名当两个多多变量依赖旧值时就如此 使用volatile变量。这名对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)实在是某种 思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下不用造成冲突,什么都在数据进行提交更新的并且 ,才会正式对数据的冲突是否是进行检测,将会发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么才能 才能 去做。

后面 提到的乐观锁的概念中实在将会阐述了他的具体实现细节:

主要并且 两个多多步骤:冲突检测数据更新

实在现最好的妙招有某种 比较典型的并且 Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个守护进程尝试使用CAS并肩更新同两个多多变量时,如此 其含两个多多守护进程能更新变量的值,而其它守护进程都失败,失败的守护进程无须会被挂起,并且 被告知这次竞争中失败,并不能再次尝试。

CAS 操作暗含两个多多操作数 —— 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,如此 处置器会自动将该位置值更新为新值。这名,处置器不做任何操作。无论哪种情况表,它一定会在 CAS 指令并且 返回该位置的值。(在 CAS 的这名特殊情况表下将仅返回 CAS 是否是成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该暗含值 A;将会暗含该值,则将 B 放上去这名 位置;这名,无须更改该位置,只问你这名 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,乐观锁是某种 思想。CAS是这名 思想的某种 实现最好的妙招。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5并且 Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是某种 独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)并且 建立在CAS之上的。相对于对于synchronized这名 阻塞算法,CAS是非阻塞算法的某种 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,而不用害怕这名守护进程并肩修改变量,将会将会这名守护进程修改变量,如此 CAS会检测它(并失败),算法不能对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用有有哪些代替了锁定。

当我们 都以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在如此 锁的情况表下是怎么才能 才能 保证守护进程安全的。主要理解getAndIncrement最好的妙招,该最好的妙招的作用要花费 ++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前要借助volatile原语,保证守护进程间的数据是可见的(共享的)。如此 在获取变量的值的并且 不能直接读取。这名来看看++i是为什么会么会么做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据这名将此数据和+1后的结果进行CAS操作,将会成功就返回结果,这名重试直到成功为止。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);
 }

整体的过程并且 如此 子的,利用CPU的CAS指令,并肩借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作全版一定会利用例如 的形状完成的。

而整个J.U.C全版一定会建立在CAS之上的,这名对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会是因为“ABA有哪些的问题报告 ”:

ABA有哪些的问题报告 :

aba实际上是乐观锁无法处置脏数据读取的某种 体现。CAS算法实现两个多多重要前提前要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,如此 在这名 时间差类会是因为数据的变化。

比如说两个多多守护进程one从内存位置V中取出A,这并且 如此 守护进程two也从内存中取出A,这名two进行了这名操作变成了B,这名two又将V位置的数据变成A,这并且 守护进程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,这名one操作成功。尽管守护进程one的CAS操作成功,这名不代表这名 过程并且 如此 有哪些的问题报告 的。

偏离 乐观锁的实现是通过版本号(version)的最好的妙招来处置ABA有哪些的问题报告 ,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,一定会带上两个多多版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就不能执行修改操作并对版本号执行+1操作,这名就执行失败。将会每次操作的版本号一定会随之增加,什么都不用出先ABA有哪些的问题报告 ,将会版本号只会增加不用减少。

 将会链表的头在变化了两次后恢复了原值,这名不代表链表就如此 变化。这名AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的两个多多<Object,Boolean>的对,不能原子的修改Object将会Boolean的值,这名 数据形状在这名缓存将会情况表描述中比较有用。这名 形状在单个将会并肩修改Object/Boolean的之不能够有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护暗含整数“标志”的对象引用,不能用原子最好的妙招对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是某种 例如 <Object,int>的数据形状,实在并且 对对象(引用)的两个多多并发计数(标记版本戳stamp)。这名与AtomicInteger 不同的是,此数据形状不能携含两个多多对象引用(Object),这名不能对此对象和计数并肩进行原子操作。

REFERENCE:

采集自以下博客:

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/181000954