01 樂觀鎖與悲觀鎖的基本概念

何為樂觀鎖與悲觀鎖？

答：樂觀鎖對應於生活中樂觀的人總是想著事情往好的方向發展，悲觀鎖對應於生活中悲觀的人總是想著事情往壞的方向發展。這兩種人各有優缺點，不能不以場景而定說一種人好於另外一種人。樂觀鎖和悲觀鎖是兩種思想，用於解決並發場景下的數據競爭問題。

樂觀鎖：樂觀鎖在操作數據時非常樂觀，認為別人不會同時修改數據。

因此樂觀鎖不會上鎖，只是在執行更新的時候判斷一下在此期間別人是否修改了數據：如果別人修改了數據則放棄操作，否則執行操作。

悲觀鎖：悲觀鎖在操作數據時比較悲觀，認為別人會同時修改數據。

因此操作數據時直接把數據鎖住，直到操作完成後才會釋放鎖；上鎖期間其他人不能修改數據。

02 樂觀鎖與悲觀鎖的實現方式(含實例)

在說明實現方式之前，需要明確：樂觀鎖和悲觀鎖是兩種思想，它們的使用是非常廣泛的，不局限於某種程式語言或資料庫。

悲觀鎖的實現方式是加鎖，加鎖既可以是對代碼塊加鎖（如Java的synchronized關鍵字），也可以是對數據加鎖（如MySQL中的排它鎖）。

2.1 樂觀鎖的實現方式主要有兩種：CAS機制和版本號機制

（1）CAS（Compare And Swap）

CAS操作包括了3個操作數：

 1) 需要讀寫的內存位置(V)
 2) 進行比較的預期值(A)
 3) 擬寫入的新值(B)

CAS操作邏輯如下：

如果內存位置V的值等於預期的A值，則將該位置更新為新值B，否則不進行任何操作。

許多CAS的操作是自旋的：如果操作不成功，會一直重試，直到操作成功為止。

這裡引出一個新的問題，既然CAS包含了Compare和Swap兩個操作，它又如何保證原子性呢？

答案是：CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬體層面進行保證的。

下面以Java中的自增操作(i++)為例，看一下悲觀鎖和CAS分別是如何保證線程安全的。

我們知道，在Java中自增操作不是原子操作，它實際上包含三個獨立的操作：

1) 讀取i值；
2) 加1；
3) 將新值寫回i

因此，如果並發執行自增操作，可能導致計算結果的不準確。

在下面的代碼示例中：value1沒有進行任何線程安全方面的保護，value2使用了樂觀鎖(CAS)，value3使用了悲觀鎖(synchronized)。

運行程序，使用1000個線程同時對value1、value2和value3進行自增操作，可以發現：value2和value3的值總是等於1000，而value1的值常常小於1000。

public class Test {

 //value1：線程不安全 
 private static int value1 = 0;
 //value2：使用樂觀鎖 
 private static AtomicInteger value2 = new AtomicInteger(0);
 //value3：使用悲觀鎖 
 private static int value3 = 0;

 private static synchronized void increaseValue3() {
 value3++;
 }

 public static void main(String[] args) throws Exception {
 //開啟1000個線程，並執行自增操作 
 for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
 new Thread(new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 try {
 Thread.sleep(100);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 value1++;
 value2.getAndIncrement();
 increaseValue3();
 }
 }).start();
 }
 //查看活躍線程 ,因守護線程的原因[基於工具問題windows:idea run 啟動用 >2,debug 用>1] 
 while (Thread.activeCount() > 2) {
 //Thread.currentThread().getThreadGroup().list();
 Thread.yield();//讓出cpu
 }

 //列印結果 
 Thread.sleep(1000);
 System.out.println("線程不安全：" + value1);
 System.out.println("樂觀鎖(AtomicInteger)：" + value2);
 System.out.println("悲觀鎖(synchronized)：" + value3);
 }
}

上面的代碼中:

1)首先來介紹AtomicInteger。

AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic包提供的原子類，利用CPU提供的CAS操作來保證原子性；

除了AtomicInteger外，還有AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference等眾多原子類。

下面看一下AtomicInteger的源碼，了解下它的自增操作getAndIncrement()是如何實現的（源碼以Java7為例，Java8有所不同，但思想類似）。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { 
//存儲整數值，volatile保證可視性 
private volatile int value;
 //Unsafe用於實現對底層資源的訪問
 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

//valueOffset是value在內存中的偏移量 
private static final long valueOffset; 
//通過Unsafe獲得valueOffset 
static { 
 try { 
 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); 
 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 
} 

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 
} 

public final int getAndIncrement() { 
 for (;;) { 
 int current = get(); 
 int next = current + 1; 
 if (compareAndSet(current, next)) 
 return current; 
 } 
} 
}

源碼分析說明如下：

• getAndIncrement()實現的自增操作是自旋CAS操作：在循環中進行compareAndSet，如果執行成功則退出，否則一直執行。
• 其中compareAndSet是CAS操作的核心，它是利用Unsafe對象實現的。
• Unsafe又是何許人也呢？

Unsafe是用來幫助Java訪問作業系統底層資源的類（如可以分配內存、釋放內存,在netty中大量用到它,屬於C++層面的native方法,我們一般使用反射獲取,哈哈~），通過Unsafe，Java具有了底層操作能力，可以提升運行效率；

強大的底層資源操作能力也帶來了安全隱患(類的名字Unsafe也在提醒我們這一點)，因此正常情況下用戶無法使用。

AtomicInteger在這裡使用了Unsafe提供的CAS功能。

• valueOffset可以理解為value在內存中的偏移量，對應了CAS三個操作數(V/A/B)中的V；偏移量的獲得也是通過Unsafe實現的。
• value域的volatile修飾符：Java並發編程要保證線程安全，需要保證原子性、可視性和有序性；

CAS操作可以保證原子性，而volatile可以保證可視性和一定程度的有序性；

在AtomicInteger中，volatile和CAS一起保證了線程安全性。

關於volatile作用原理的說明涉及到Java內存模型(JMM)，這裡不詳細展開。

2) 說完了AtomicInteger，再說synchronized。

synchronized通過對代碼塊加鎖來保證線程安全：在同一時刻，只能有一個線程可以執行代碼塊中的代碼。

synchronized是一個重量級的操作，不僅是因為加鎖需要消耗額外的資源，還因為線程狀態的切換會涉及作業系統核心態和用戶態的轉換；

不過隨著JVM對鎖進行的一系列優化(如自旋鎖、輕量級鎖、鎖粗化等)，synchronized的性能表現已經越來越好。

（2）版本號機制 除了CAS，版本號機制也可以用來實現樂觀鎖

版本號機制的基本思路是在數據中增加一個欄位version，表示該數據的版本號，每當數據被修改，版本號加1。

• 當某個線程查詢數據時，將該數據的版本號一起查出來；
• 當該線程更新數據時，判斷當前版本號與之前讀取的版本號是否一致，如果一致才進行操作。

需要注意的是，這裡使用了版本號作為判斷數據變化的標記，實際上可以根據實際情況選用其他能夠標記數據版本的欄位，如時間戳等。

下面以「更新玩家金幣數」為例（資料庫為MySQL，其他資料庫同理），看看悲觀鎖和版本號機制是如何應對並發問題的。

考慮這樣一種場景：遊戲系統需要更新玩家的金幣數，更新後的金幣數依賴於當前狀態(如金幣數、等級等)，因此更新前需要先查詢玩家當前狀態。

下面的實現方式，沒有進行任何線程安全方面的保護。如果有其他線程在query和update之間更新了玩家的信息，會導致玩家金幣數的不準確。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
 //根據player_id查詢玩家信息
 Player player = query("select coins, level from player where player_id = {0}", playerId);
 //根據玩家當前信息及其他信息，計算新的金幣數
 Long newCoins = ……;
 //更新金幣數
 update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}

為了避免這個問題，悲觀鎖通過加鎖解決這個問題，代碼如下所示。在查詢玩家信息時，使用select …… for update進行查詢；

該查詢語句會為該玩家數據加上排它鎖，直到事務提交或回滾時才會釋放排它鎖；

在此期間，如果其他線程試圖更新該玩家信息或者執行select for update，會被阻塞(所以...如果你for update了,但是沒有commit,那就一直鎖著...鎖住了青春~~~)。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
 //根據player_id查詢玩家信息（加排它鎖）
 Player player = queryForUpdate("select coins, level from player where player_id = {0} for update", playerId);
 //根據玩家當前信息及其他信息，計算新的金幣數
 Long newCoins = ……;
 //更新金幣數
 update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}

版本號機制則是另一種思路，它為玩家信息增加一個欄位：version。在初次查詢玩家信息時，同時查詢出version信息；

在執行update操作時，校驗version是否發生了變化，如果version變化，則不進行更新。

@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
 //根據player_id查詢玩家信息，包含version信息
 Player player = query("select coins, level, version from player where player_id = {0}", playerId);
 //根據玩家當前信息及其他信息，計算新的金幣數
 Long newCoins = ……;
 //更新金幣數，條件中增加對version的校驗
 update("update player set coins = {0} where player_id = {1} and version = {2}", newCoins, playerId, player.version);
}

03 樂觀鎖和悲觀鎖優缺點和適用場景

樂觀鎖和悲觀鎖並沒有優劣之分，它們有各自適合的場景；下面從兩個方面進行說明。

• 功能限制 與悲觀鎖相比，樂觀鎖適用的場景受到了更多的限制，無論是CAS還是版本號機制。

例如，CAS只能保證單個變量操作的原子性，當涉及到多個變量時，CAS是無能為力的，而synchronized則可以通過對整個代碼塊加鎖來處理。

再比如版本號機制，如果query的時候是針對表1，而update的時候是針對表2，也很難通過簡單的版本號來實現樂觀鎖。

• 競爭激烈程度 如果悲觀鎖和樂觀鎖都可以使用，那麼選擇就要考慮競爭的激烈程度：

當競爭不激烈 (出現並發衝突的機率小)時，樂觀鎖更有優勢，因為悲觀鎖會鎖住代碼塊或數據，其他線程無法同時訪問，影響並發，而且加鎖和釋放鎖都需要消耗額外的資源。

當競爭激烈(出現並發衝突的機率大)時，悲觀鎖更有優勢，因為樂觀鎖在執行更新時頻繁失敗，需要不斷重試，浪費CPU資源。

04 樂觀鎖加鎖嗎？

下面是我對這個問題的理解：

1. 樂觀鎖本身是不加鎖的，只是在更新時判斷一下數據是否被其他線程更新了；AtomicInteger便是一個例子。
2. 有時樂觀鎖可能與加鎖操作合作，例如，在前述updateCoins()的例子中，MySQL在執行update時會加排它鎖。

但這只是樂觀鎖與加鎖操作合作的例子，不能改變「樂觀鎖本身不加鎖」這一事實。

05 CAS有哪些缺點？

面試到這裡，面試官可能已經中意你了。

不過面試官準備對你發起最後的進攻：你知道CAS這種實現方式有什麼缺點嗎？

下面是CAS一些不那麼完美的地方：

1.ABA問題 假設有兩個線程——線程1和線程2，兩個線程按照順序進行以下操作：

• (1)線程1讀取內存中數據為A；
• (2)線程2將該數據修改為B；
• (3)線程2將該數據修改為A；
• (4)線程1對數據進行CAS操作

在第(4)步中，由於內存中數據仍然為A，因此CAS操作成功，但實際上該數據已經被線程2修改過了。這就是ABA問題。

在AtomicInteger的例子中，ABA似乎沒有什麼危害。

但是在某些場景下，ABA卻會帶來隱患，例如棧頂問題：一個棧的棧頂經過兩次(或多次)變化又恢復了原值，但是棧可能已發生了變化。

對於ABA問題，比較有效的方案是引入版本號，內存中的值每發生一次變化，版本號都+1；

在進行CAS操作時，不僅比較內存中的值，也會比較版本號，只有當二者都沒有變化時，CAS才能執行成功。

Java中的AtomicStampedReference類便是使用版本號來解決ABA問題的。

2.高競爭下的開銷問題 在並發衝突機率大的高競爭環境下，如果CAS一直失敗，會一直重試，CPU開銷較大。

針對這個問題的一個思路是引入退出機制，如重試次數超過一定閾值後失敗退出。

當然，更重要的是避免在高競爭環境下使用樂觀鎖。

3.功能限制 CAS的功能是比較受限的，例如CAS只能保證單個變量（或者說單個內存值）操作的原子性，這意味著：

(1)原子性不一定能保證線程安全，例如在Java中需要與volatile配合來保證線程安全；

(2)當涉及到多個變量(內存值)時，CAS也無能為力。

除此之外，CAS的實現需要硬體層面處理器的支持，在Java中普通用戶無法直接使用，只能藉助atomic包下的原子類使用，靈活性受到限制。