[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:

  • 在并发访问状况下,原应会出先脏读、不可重复读和幻读等读哪此的什么的问题,为了应对哪此哪此的什么的问题,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并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,需要亲们定义出来的概念,可需要认为是四种 思想。随便说说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等需要之类的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍哪此是CAS、CAS的应用以及CAS处在的哪此的什么的问题等。

并发控制

在计算机科学,特别是程序设计、操作系统、多避免机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作原应的错误的四种 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一并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哪此的什么的问题:

现有两处火车票售票点,一并读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点一并卖出一张车票,一并修改余额为 X -1写回数据库,三个白多多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。 产生你这个状况的原应原应三个白多事务读入同一数据并一并修改,其中三个白多事务提交的结果破坏了三个白多多事务提交的结果,原应其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要避免的所以之类哪此的什么的问题。

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

当并发事务一并访问三个白多资源时,有原应原应数据不一致,为什么么让需要四种 机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁所以其中的四种 机制。

在计算机科学中,锁是在执行多程序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),用于保护数据的全部性,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特性,如表、索引等的特性定义。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

常用的锁机制有四种 :

1、悲观锁:假定会处在并发冲突,屏蔽一切原应违反数据全部性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会原应其它所有需要锁的程序挂起,守候持有锁的程序释放锁。

2、乐观锁:假设不让处在并发冲突,每次不加锁所以假设什么什么都没有 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查与非 违反数据全部性。原应原应冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加三个白多版本标识,比如在基于数据库表的版本避免方案中,一般是通过为数据库表增加三个白多 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号一并读出,但是更新时,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,原应提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,为什么么让认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是必须避免主次脏读的哪此的什么的问题,之类ABA哪此的什么的问题(下面会讲到)。

在实际生产环境中间,原应并发量不大且不允许脏读,可需要使用悲观锁避免并发哪此的什么的问题;但原应系统的并发非常大句子,悲观锁定会带来非常大的性能哪此的什么的问题,所以亲们就要选择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(叫雷“悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是四种 并发控制的最好的妙招。它可需要阻止三个白多事务以影响或多或少用户的最好的妙招来修改数据。原应三个白多事务执行的操作都某行数据应用了锁,那必须当你这个事务把锁释放,或多或少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,以及处在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(包括本系统当前的或多或少事务,以及来自实物系统的事务避免)修改持保守态度(悲观),为什么么让,在整个数据避免过程中,将数据处在锁定状况。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也必须数据库层提供的锁机制不能真正保证数据访问的排他性,为什么么让,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证实物系统不让修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录去掉 排他锁(exclusive locking)。

原应加锁失败,说明该记录正在被修改,什么什么都没有 当前查询原应要守候原应抛出异常。 具体响应最好的妙招由开发者根据实际需要决定。

原应成功加锁,什么什么都没有 就可需要对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间原应有或多或少对该记录做修改或加排他锁的操作,都会守候亲们解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,亲们需要关闭mysql数据库的自动提交属性,原应MySQL默认使用autocommit模式,也所以说,当你执行三个白多更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.开始英语

事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就可需要)
//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;

中间的查询句子中,亲们使用了select…for update的最好的妙招,三个白多多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 那条数据就被亲们锁定了,其它的事务需要等本次事务提交但是不能执行。三个白多多亲们可需要保证当前的数据不让被其它事务修改。

中间亲们提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过亲们需要注意或多或少锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁需要基于索引的,原应十根SQL句子用必须索引是不让使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点需要注意。

优点与严重不足

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据避免的安全提供了保证。为什么么让在带宽方面,避免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原应;另外,在只读型事务避免中原应不让产生冲突,也没必要使用锁,三个白多多做必须增加系统负载;还有会降低了并行性,三个白多事务原应锁定了某行数据,或多或少事务就需要守候该事务避免完才可需要避免那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫雷“乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是四种 并发控制的最好的妙招。它假设多用户并发的事务在避免时不让彼此互相影响,各事务不能在不产生锁的状况下避免所人们影响的那主次数据。在提交数据更新但是,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有什么什么都没有 或多或少事务又修改了该数据。原应或多或少事务有更新句子,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状况下不让造成冲突,所以在数据进行提交更新的但是,才会正式对数据的冲突与非 进行检测,原应发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定何如去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行避免的但是,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所以记录数据版本。

数据版本,为数据增加的三个白多版本标识。当读取数据时,将版本标识的值一并读出,数据每更新一次,一并对版本标识进行更新。当亲们提交更新的但是,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,原应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,为什么么让认为是过期数据。

实现数据版本有四种 最好的妙招,第四种 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,可需要在数据初始化时指定三个白多版本号,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需要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};

优点与严重不足

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,为什么么让尽原应直接做下去,直到提交的但是才去锁定,所以不让产生任何锁和死锁。但原应直接简单什么什么都没有 做,还是有原应会遇到不可预期的结果,之类三个白多事务都读取了数据库的某一行,经过修改但是写回数据库,这时就遇到了哪此的什么的问题。

三、CAS详解

在说CAS但是,亲们不得不提一下Java的程序安全哪此的什么的问题。

程序安全:

众所周知,Java是多程序的。为什么么让,Java对多程序的支持随便说说是一把双刃剑。一旦涉及到多个程序操作共享资源的状况时,避免不好就原应产生程序安全哪此的什么的问题。程序安全性原应是非常繁杂的,在什么什么都没有 宽裕的同步的状况下,多个程序中的操作执行顺序是不可预测的。

Java中间进行多程序通信的主要最好的妙招所以共享内存的最好的妙招,共享内存主要的关注点三个白多多:可见性和有序性。去掉 复合操作的原子性,亲们可需要认为Java的程序安全性哪此的什么的问题主要关注点有六个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)避免了可见性和有序性的哪此的什么的问题,而锁避免了原子性的哪此的什么的问题。这里不再全部介绍JMM及锁的或多或少相关知识。为什么么让亲们要讨论三个白多哪此的什么的问题,那所以锁到底是需要有利无弊的?

3.1 锁处在的哪此的什么的问题

Java在JDK1.5但是需要靠synchronized关键字保证同步的,你这个通过使用一致的锁定协议来协调对共享状况的访问,可需要确保无论哪个程序持有共享变量的锁,都采用独占的最好的妙招来访问哪此变量。独占锁随便说说所以四种 悲观锁,所以可需要说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制处在以下哪此的什么的问题:

1) 在多程序竞争下,加锁、释放锁会原应比较多的上下文切换和调度延时,引起性能哪此的什么的问题。

2) 三个白多程序持有锁会原应其它所有需要此锁的程序挂起。

3) 原应三个白多优先级高的程序守候三个白多优先级低的程序释放锁会原应优先级倒置,引起性能风险。

而三个白多多更加有效的锁所以乐观锁。所谓乐观锁所以,每次不加锁所以假设什么什么都没有 冲突而去完成某项操作,原应原应冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是三个白多更轻量级的同步机制,原应在使用哪此变量时不让处在上下文切换和程序调度等操作,为什么么让volatile必须避免原子性哪此的什么的问题,为什么么让当三个白多变量依赖旧值时就必须使用volatile变量。为什么么让对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)随便说说是四种 思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般状况下不让造成冲突,所以在数据进行提交更新的但是,才会正式对数据的冲突与非 进行检测,原应发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定何如去做。

中间提到的乐观锁的概念中随便说说原应阐述了他的具体实现细节:

主要所以三个白多步骤:冲突检测数据更新

随便说说现最好的妙招有四种 比较典型的所以Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个程序尝试使用CAS一并更新同三个白多变量时,必须其中三个白多程序能更新变量的值,而其它程序都失败,失败的程序无须会被挂起,所以被告知这次竞争中失败,并可需要再次尝试。

CAS 操作暗含三个白多操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。原应内存位置的值与预期原值相匹配,什么什么都没有 避免器会自动将该位置值更新为新值。为什么么让,避免器不做任何操作。无论哪种状况,它都会在 CAS 指令但是返回该位置的值。(在 CAS 的或多或少特殊状况下将仅返回 CAS 与非 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;原应暗含该值,则将 B 放入你这个位置;为什么么让,无须更改该位置,只别问我你这个位置现在的值即可。”这随便说说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,乐观锁是四种 思想。CAS是你这个思想的四种 实现最好的妙招。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5但是Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是四种 独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)所以建立在CAS之上的。相对于对于synchronized你这个阻塞算法,CAS是非阻塞算法的四种 常见实现。所以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,而不让害怕或多或少程序一并修改变量,原应原应或多或少程序修改变量,什么什么都没有 CAS会检测它(并失败),算法可需要对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪此代替了锁定。

亲们以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在什么什么都没有 锁的状况下是何何如证程序安全的。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需要借助volatile原语,保证程序间的数据是可见的(共享的)。三个白多多在获取变量的值的但是不能直接读取。为什么么让来看看++i是缘何做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据为什么么让将此数据和+1后的结果进行CAS操作,原应成功就返回结果,为什么么让重试直到成功为止。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);
 }

整体的过程所以三个白多多子的,利用CPU的CAS指令,一并借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作需要利用之类的特性完成的。

而整个J.U.C需要建立在CAS之上的,为什么么让对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会原应“ABA哪此的什么的问题”:

ABA哪此的什么的问题:

aba实际上是乐观锁无法避免脏数据读取的四种 体现。CAS算法实现三个白多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,什么什么都没有 在你这个时间差类会原应数据的变化。

比如说三个白多程序one从内存位置V中取出A,这但是三个白多多程序two也从内存中取出A,为什么么让two进行了或多或少操作变成了B,为什么么让two又将V位置的数据变成A,这但是程序one进行CAS操作发现内存中仍然是A,为什么么让one操作成功。尽管程序one的CAS操作成功,为什么么让不代表你这个过程所以什么什么都没有 哪此的什么的问题的。

主次乐观锁的实现是通过版本号(version)的最好的妙招来避免ABA哪此的什么的问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都会带上三个白多版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可需要执行修改操作并对版本号执行+1操作,为什么么让就执行失败。原应每次操作的版本号都会随之增加,所以不让出先ABA哪此的什么的问题,原应版本号只会增加不让减少。

 原应链表的头在变化了两次后恢复了原值,为什么么让不代表链表就什么什么都没有 变化。为什么么让AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的三个白多<Object,Boolean>的对,可需要原子的修改Object原应Boolean的值,你这个数据特性在或多或少缓存原应状况描述中比较有用。你这个特性在单个原应一并修改Object/Boolean的但是不能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护暗含整数“标志”的对象引用,可需要用原子最好的妙招对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是四种 之类<Object,int>的数据特性,随便说说所以对对象(引用)的三个白多并发计数(标记版本戳stamp)。为什么么让与AtomicInteger 不同的是,此数据特性可需要携带三个白多对象引用(Object),为什么么让不能对此对象和计数一并进行原子操作。

REFERENCE:

下发自以下博客:

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/18100954